КАТУШЕЧНАЯ СИСТЕМА ЗАРЯДКИ ДЛЯ ВСТАВЛЯЕМОГО ЦЕЛЕВОГО УСТРОЙСТВА, НАПРИМЕР ЗУБНОЙ ЩЕТКИ Российский патент 2017 года по МПК H02J7/02 H01F38/14 

Настоящее изобретение относится, в целом, к зарядным системам для целевых устройств, например электрических зубных щеток, и, в частности, относится к особой зарядной системе для комбинации целевого устройства и зарядного устройства с чашеобразным вместилищем, в которое целевое устройство помещается для зарядки.

Множество целевых устройств, например электрических зубных щеток, а также другие устройства включают в себя индуктивную систему зарядки, оперирующую с базовым блоком зарядки с первичной катушкой и целевым устройством, имеющим вторичную катушку. Такие системы обычно требуют точного совмещения, то есть выравнивания в устройстве фиксации и зажима, первичной и вторичной катушек соответственно в зарядной базе и целевом устройстве для достижения эффективной зарядки и для защиты зарядного интерфейса от помех. Зарядная система "вставляемого" типа, обеспечивающая пользователю возможность просто бросить целевое устройство во вместилище, например стакан, который может использоваться для питья, не является эффективной из-за отсутствия точного совмещения. Обычно в такой конструкции, в которой целевое устройство не может быть точно совмещено с первичной катушкой, время зарядки увеличивается по меньшей мере на 50%, если не больше. Существует трудность в совмещении, поскольку при помещении в зарядное устройство с чашеобразным вместилищем вторичная катушка обычно располагается под углом относительно первичной катушки вместо традиционной базы зарядного устройства, в которую целевое устройство вставляется относительно плотно. Это можно видеть на Фиг. 1.

Соответственно, существует потребность в зарядной системе, которая скомпонована и управляется, чтобы обеспечить максимальную эффективность для таких зарядных систем, которые используют в качестве зарядной базы чашеобразное вместилище.

Соответственно, система для зарядки одного или более целевых устройств с помощью зарядного устройства с вместилищем содержит зарядное устройство с вместилищем для приема одного или более целевых устройств, при этом вместилище имеет первичную катушку, выполненную с возможностью соединения с источником электрической энергии; по меньшей мере одно целевое устройство, выполненное с возможностью размещения во вместилище, при этом целевое устройство имеет вторичную катушку, так что при работе между первичной катушкой и вторичной катушкой передается энергия для зарядки батареи в целевом устройстве; множество управляющих катушек, скомпонованных вокруг первичной катушки; и систему управления для управления фазой магнитного поля управляющих катушек относительно магнитного поля первичной катушки для фокусирования линий магнитного поля первичной катушки для оптимизации передачи мощности между первичной катушкой в зарядном устройстве с вместилищем и вторичной катушкой целевого устройства.

Кроме того, предложен способ управления зарядкой по меньшей мере одного целевого устройства, помещенного во вместилище, при этом целевое устройство имеет первичную катушку, а зарядное вместилище имеет первичную катушку, при этом множество управляющих катушек расположено вокруг первичной катушки, способ содержит этапы, на которых устанавливают шаблон начального фазового состояния магнитных полей управляющих катушек относительно фазы магнитного поля первичной катушки; приводят в действие целевое устройство; определяют передачу мощности между первичной катушкой и вторичной катушкой в целевом устройстве, когда управляющие катушки находятся в их шаблоне начального фазового состояния; повторяющимся образом изменяют шаблон фазового состояния магнитного поля управляющих катушек до тех пор, пока не будет определен шаблон фаз катушек, обеспечивающий максимальную передачу мощности между первичной катушкой и вторичной катушкой; и заряжают вторичную катушку при шаблоне фаз с максимальной передачей мощности управляющих катушек.

Фиг. 1 и 2 - виды сбоку и сверху, представляющие зарядную систему с первичной катушкой с чашеобразным вместилищем предшествующего уровня техники.

Фиг. 3 и 4 - виды сбоку и сверху, представляющие зарядную систему, раскрытую в настоящем документе.

Фиг. 5 - вид сбоку, представляющий зарядную систему, изображенную на Фиг. 3, использующую множество целевых устройств.

Фиг. 6 - блок-схема, представляющая этапы в системе управления для управления работой зарядной системы для одного целевого устройства.

Фиг. 7 - блок-схема, представляющая этапы в системе управления для множества целевых устройств.

На Фиг. 1 и 2 представлена система 10 предшествующего уровня техники, имеющая первичную катушку 14, расположенную в базовом чашеобразном вместилище 12. Первичная катушка соединена с традиционным источником энергии посредством шнура 13 электропитания и системы преобразования частоты (не показана), если необходимо. Во вместилище 12 для зарядки расположено целевое устройство 16. Целевое устройство, которое может быть, например, электрической зубной щеткой, включает в себя вторичную катушку 18 в его основании. На Фиг. 1 представлено магнитное поле первичной катушки на виде сбоку, а на Фиг. 2 представлено только магнитное поле первичной катушки при виде сверху. В конструкции на Фиг. 1 и 2 целевое устройство 16 размещено в чашеобразном вместилище 12, которое по форме подходит также для использования пользователем в качестве чашки для питья, для воды или другой жидкости, например, полоскания для полости рта. При таком зарядном чашеобразном вместилище не требуется отдельный стакан. Функции зарядного устройства и стакана для питья реализуются в одном блоке.

При обычной операции зарядки имеется передача энергии между первичной катушкой 14 во вместилище и вторичной катушкой 18 для зарядки батареи 20 в целевом устройстве. Трудность с компоновкой, изображенной на Фиг. 1, заключается в том, что не существует обычного точного совмещения между первичной катушкой и вторичной катушкой для выполнения эффективной зарядки. В традиционном зарядном устройстве целевое устройство располагается вертикально в относительно тесном зарядном вместилище, поэтому первичная катушка и вторичная катушка с необходимостью плотно совмещены. При вместилище с чашей, представленном на Фиг. 1, однако, вторичная катушка расположена под углом относительно первичной катушки; такое расположение значительно увеличивает время зарядки до 50% или более по сравнению с обычным временем зарядки.

На Фиг. 3 и 4 представлена компоновка для зарядки согласно настоящему изобретению, включающая в себя множество управляющих катушек 22-22, расположенных вокруг первичной катушки 14. В одном варианте осуществления имеется всего восемь управляющих катушек, однако число катушек может быть больше восьми или меньше восьми. Обычный диапазон составляет 2-32 управляющие катушки. В представленном варианте осуществления управляющие катушки расположены с одинаковыми промежутками, хотя такое расположение не является необходимым. Управляющие катушки управляются по отдельности блоком 24 управления для создания магнитных полей управляющих катушек, которые или совпадают по фазе с полем первичной катушки, или не совпадают по фазе с полем первичной катушки. Одна или более управляющих катушек также может быть в состоянии отключения.

На Фиг. 3 представлено семь управляющих катушек 22 с магнитными полями, совпадающими по фазе с полем первичной катушки, и одна управляющая катушка 22A с магнитным полем, на 180° не совпадающим по фазе с полем первичной катушки. Обычно большая часть управляющих катушек возбуждается синфазно с первичной катушкой, при этом меньшая часть управляющих катушек, обычно одна, возбуждается при 180° несовпадении по фазе с первичной катушкой. Множество полей управляющих катушек придает форму и фокусирует линии магнитного поля от первичной катушки так, что они в большей степени концентрируются в направлении несовпадающей по фазе управляющей катушки. Когда образованное в результате "управляющее" поле первичной катушки, создающее зарядку вторичной катушки, наиболее близко совмещено с положением вторичной катушки в целевом устройстве, передача мощности к вторичной катушке увеличивается до максимума, таким образом увеличивая эффективность зарядной системы по сравнению с обычной зарядной компоновкой.

В компоновке управляющих катушек, представленных на Фиг. 3 и 4, диаметр катушек составляет 8 мм, с 70 витками, хотя следует понимать, что катушки могут принимать вид других компоновок и конфигураций. Как было указано выше, магнитные поля управляющих катушек меняют шаблон магнитного поля первичной катушки 23 во вместилище 25 так, что это приводит к наибольшей передаче энергии к вторичной катушке 27 в целевом устройстве 29 и, таким образом, наибольшей эффективности зарядной системы. Определение шаблона совпадения по фазе, несовпадения по фазе управляющих катушек, которые создают наибольшую передачу энергии, является функцией системы управления.

При работе блок 24 управления включает в себя программную схему цикла управления, в которой, в целом, целевое устройство воспринимает магнитное поле от зарядного блока, измеряет принятое магнитное поле; определяет мощность и передает значение принятой мощности обратно зарядному блоку. Блок управления повторяющимся образом подстраивает фазу магнитных полей управляющих катушек для обеспечения максимальной передачи мощности. Связь между зарядным блоком и целевым устройством может происходить посредством различных компоновок, включающих в себя беспроводные, оптические или другие средства связи. Получение максимальной передачи мощности выполняется блоком управления, действующим посредством последовательности переключений различных управляющих катушек между совпадением по фазе или несовпадением по фазе относительно первичной катушки для определения конкретного шаблона магнитного поля, который обеспечивает максимальную передачу мощности. Обычно последовательность начинается с того, что одна выбранная катушка не совпадает по фазе, при этом остальные катушки совпадают по фазе с первичной катушкой. Несовпадающая по фазе катушка стремится притянуть магнитное поле в своем направлении, а совпадающие по фазе катушки стремятся оттолкнуть магнитное поле, таким образом фокусируя поле первичной катушки. Когда определена максимальная передача мощности, цепь управления останавливает свою работу, и зарядка целевого устройства продолжается при этом определенном шаблоне.

На Фиг. 6 представлена управляющая последовательность для зарядки одиночного целевого устройства. Сначала целевое устройство размещается в зарядном блоке/вместилище, как представлено на этапе 30 на Фиг. 6. Затем зарядное устройство приводит в действие магнитное поле в начальной или заданной по умолчанию конфигурации, возбуждая различные управляющие катушки в заданном по умолчанию шаблоне совпадения/несовпадения по фазе, например, одна управляющая катушка не совпадает по фазе, другие управляющие катушки совпадают по фазе. Это представлено на этапе 32. Целевое устройство приводится в действие, как представлено на этапе 34, и определяет принимаемую мощность посредством измерения напряжения и тока, и затем вычисляет мощность, как представлено на этапе 36. Затем целевое устройство передает определенную мощность обратно зарядному блоку (зарядному устройству) на этапе 38. Затем зарядное устройство подстраивает конфигурацию магнитного поля управляющих катушек, то есть изменяет шаблон совпадения/несовпадения по фазе управляющих катушек, как представлено на этапе 42.

Затем целевое устройство вновь определяет принимаемую мощность на этапе 44 и вновь передает значение обратно зарядному устройству, как представлено на этапе 46. Принимается решение относительно того, является ли достаточным число измеренных конфигураций магнитных полей для надлежащего получения максимального значения передачи мощности, как представлено на этапе 48 принятия решения. Если недостаточно, зарядное устройство вновь подстраивает конфигурацию магнитного поля, и цикл продолжается до тех пор, пока на выходе на этапе 48 не будет положительного решения. Затем зарядный блок подстраивает магнитное поле к такой компоновке полей управляющих катушек, при котором передается максимальная мощность, как представлено на конечном этапе 50. Затем зарядка целевого устройства продолжается при этом шаблоне магнитного поля до завершения зарядки.

Как указано выше, фазовое состояние магнитных полей различных управляющих катушек обычно или совпадает по фазе или не совпадает по фазе с магнитным полем первичной катушки, или, в некоторых случаях, одна или более управляющих катушек не работают. Однако в некоторых компоновках также может использоваться фазовое состояние между совпадением по фазе или 180° несовпадением по фазе.

Преимущество компоновки по настоящему изобретению состоит в том, что высокая эффективность зарядки может достигаться зарядной системой, включающей в себя целевое устройство, имеющее вторичную катушку, не полностью совмещенную с первичной катушкой в зарядном блоке, который представляет собой случай с зарядным устройством с чашеобразным вместилищем, как представлено на Фиг. 4.

На Фиг. 5 представлено, что настоящее изобретение может использоваться с более чем одним целевым устройством. На Фиг. 5 представлено два целевых устройства 60 и 62, имеющих вторичные катушки 61 и 63, размещенные в зарядном устройстве/вместилище 64 с первичной катушкой 65. Управляющие катушки представлены ссылочной позицией 67. Управляющие катушки окружают первичную катушку, как и в варианте осуществления с одним целевым устройством. Управляющая последовательность, представленная на Фиг. 7, является, в некоторой степени, более сложной, чем для одного целевого устройства. Фиг. 7 аналогична Фиг. 6, с такой же конфигурацией вместилища, но имеет два целевых устройства. Первое целевое устройство 60 помещено в зарядном устройстве; зарядное устройство и целевое устройство приводятся в действие, и первое целевое устройство определяет принимаемую мощность. Затем первое целевое устройство начинает передавать свой идентификатор и принимаемую мощность обратно зарядному устройству на этапе 66, после чего происходит активация магнитного поля управляющей катушки в заданной по умолчанию конфигурации. Второе целевое устройство 62 помещается в зарядном устройстве вместе с первым целевым устройством на этапе 68. Второе целевое устройство активируется на этапе 70 в ответ на значение принимаемой мощности, принятое от первичной катушки 65. Второе целевое устройство измеряет принимаемую мощность на этапе 72 вместе с первым целевым устройством на этапе 74. Второе целевое устройство передает свой идентификатор и принимаемую им мощность обратно зарядному устройству на этапе 78 вместе с мощностью от первого устройства на этапе 80. Затем принимается решение относительно того, достаточное ли число шаблонов/конфигураций полей было измерено для обоих целевых устройств на этапе 82. Как только измерено достаточное число конфигураций, блок управления подстраивает шаблон магнитного поля управляющей катушки под конфигурацию, при которой целевое устройство, имеющее наивысший приоритет, принимает максимальную мощность, как представлено на этапе 86. Затем зарядка продолжается обычным образом. Могут также заряжаться более двух целевых устройств, как представлено репрезентативно ссылочной позицией 90 на Фиг. 7.

Соответственно, раскрыта система для эффективной зарядки целевого устройства, например электрической зубной щетки, в которой зарядное устройство имеет вид вместилища, так что вторичная катушка в целевом устройстве не совмещена с первичной катушкой в зарядном устройстве, когда целевое устройство размещено во вместилище с чашей для зарядки.

Хотя предпочтительный вариант осуществления изобретения был раскрыт с целями иллюстрации, следует понимать, что в вариант осуществления могут быть внесены различные изменения, модификации и замены без отступления от смысла изобретения, ограниченного нижеследующей формулой.

Использование – в области электротехники. Технический результат – повышение эффективности индуктивной передачи мощности. Система и способ для зарядки по меньшей мере одного целевого устройства (29), имеющего вторичную катушку (27), выполненную с возможностью размещения в зарядном вместилище (25), имеющем первичную катушку (23), соединенную с источником электрической энергии, при этом вторичная катушка целевого устройства не находится в точном совмещении с первичной катушкой, когда целевое устройство размещено во вместилище. Множество управляющих катушек (22-22) расположено вокруг первичной катушки. Схема управления (24) меняет шаблон фаз магнитного поля управляющих катушек относительно фазы магнитного поля первичной катушки в выбранной последовательности до тех пор, пока не определится максимальный перенос мощности между первичной катушкой и вторичной катушкой. Зарядка целевого устройства продолжается при шаблоне фаз управляющих катушек с максимальной передачей мощности. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система для зарядки одного или более целевых устройств с зарядным устройством с вместилищем, содержащая:

зарядное устройство (25) с вместилищем для приема одного или более целевых устройств, при этом вместилище имеет первичную катушку (23), выполненную с возможностью соединения с источником электрической энергии;

по меньшей мере одно целевое устройство (29), выполненное с возможностью размещения во вместилище, при этом целевое устройство имеет вторичную катушку (27), так что при работе между первичной катушкой и вторичной катушкой передается энергия для зарядки батареи в целевом устройстве;

множество управляющих катушек (22-22), скомпонованных вокруг первичной катушки; и

систему (24) управления для управления фазой магнитного поля управляющих катушек относительно магнитного поля первичной катушки для фокусирования линий магнитного поля первичной катушки для оптимизации передачи энергии между первичной катушкой в зарядном устройстве с вместилищем и вторичной катушкой целевого устройства.

2. Система по п. 1, в которой целевое устройство представляет собой электрическую зубную щетку.

3. Система по п. 1, в которой вместилище представляет собой стакан, подходящий для содержания текучей среды для питья пользователем.

4. Система по п. 1, в которой управляющие катушки распределены по существу с равными промежутками вокруг первичной катушки.

5. Система по п. 1, в которой число управляющих катушек находится в диапазоне 2-32.

6. Система по п. 5, в которой число управляющих катушек равно 8.

7. Система по п. 1, в которой система управления выполняет множество этапов (30, 32, 34, 36, 38, 42, 44, 46, 48, 50), включающих в себя повторяющимся образом изменение фазы магнитного поля управляющих катушек в ответ на последовательные значения определения мощности, принятые от целевого устройства, для определения шаблона фаз магнитного поля, создающего наибольшую передачу мощности.

8. Система по п. 1, в которой система управления меняет шаблон фаз магнитного поля управляющих катушек в соответствии с заранее заданной последовательностью.

9. Система по п. 6, в которой состояние фаз магнитного поля управляющих катушек включает в себя совпадение по фазе, несовпадение по фазе и выключенное состояние.

10. Система по п. 1, в которой система управления включает в себя последовательность этапов (66, 68, 70, 72, 74, 78, 80, 82, 86) для восприятия значений мощности, принятых от множества целевых устройств с отдельными идентификаторами, и определения шаблона фаз магнитного поля, создающего наибольшую передачу мощности между первичной катушкой и выбранным одним из множества целевых устройств.

11. Способ управления зарядкой по меньшей мере одного целевого устройства, размещенного во вместилище, при этом целевое устройство имеет вторичную катушку и зарядное вместилище имеет первичную катушку, при этом множество управляющих катушек расположено вокруг первичной катушки, способ включает в себя этапы, на которых:

устанавливают начальный шаблон состояния фаз магнитных полей управляющих катушек относительно фазы магнитного поля первичной катушки (32);

приводят в действие целевое устройство (34);

определяют передачу мощности между первичной катушкой и вторичной катушкой в целевом устройстве, когда управляющие катушки находятся в начальном шаблоне (36) состояния фаз;

повторяющимся образом изменяют шаблон состояния фаз магнитных полей управляющих катушек до тех пор, пока не определят шаблон фаз катушек, при котором обеспечивается максимальный перенос мощности между первичной катушкой и вторичной катушкой (42, 44, 46, 48); и

заряжают вторичную катушку с помощью шаблона фаз управляющих катушек (50) с максимальным переносом мощности.

12. Способ по п. 11, в котором состояния фаз отдельных управляющих катушек включают в себя совпадение по фазе с первичной катушкой, несовпадение по фазе с первичной катушкой и выключенное состояние.

13. Способ по п. 11, в котором шаблон фаз управляющих катушек изменяется в соответствии с предварительно выбранной последовательностью до тех пор, пока не будет определена максимальная передача мощности.

14. Способ по п. 11, при котором два целевых устройства заряжаются одновременно, и при этом зарядка двух целевых устройств продолжается с шаблоном фаз, который обеспечивает максимальную передачу мощности между первичной катушкой и выбранным одним из двух целевых устройств (66, 68, 70, 72, 74, 78, 80, 82, 86).