СПОСОБ И СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ И ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2019 года по МПК H02J50/80 

Область техники, к которой относится изобретение.

Данная группа изобретений относится к способам, при которых используют передающее устройство и принимающее устройство, имеющее блок накопления электроэнергии, а также к соответствующим системам, реализующим способ. Изобретение может быть использовано, в частности, для подзарядки и обмена данными с подводными аппаратами, имеющими металлические стенки.

Уровень техники способа.

Задача передачи электроэнергии и электрических сигналов по воздуху давно решена. Так существуют беспроводные наушники, беспроводные зарядные устройства для телефонов. Например, известны изобретения (US20140253025A1), использующие электромагнитные колебания для беспроводной передачи энергии.

В частности, из уровня техники известен способ беспроводной передачи энергии и информации, при котором используют передающее устройство и принимающее устройство, имеющее блок накопления электроэнергии. См патент на изобретение № 2419945, Дата публикации заявки: 10.03.2010,  опубликован в 27.05.2011 году.

Данный способ является наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату и выбран за прототип предлагаемого изобретения как способа.

Недостатком этого прототипа является невозможность его применения для передачи энергии и информации через металлические поверхности. Это связано с тем, что происходит экранирование сигнала на металлической поверхности. Это приводит, в частности, к тому, что применение такого способа для передаче энергии для различных подводных устройств, работающих на больших глубинах и имеющих прочный нормобарический корпус из металла, невозможно.

Раскрытие изобретения как способа.

Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить способ беспроводной передачи энергии и информации, позволяющий, по меньшей мере, сгладить, как минимум, один из указанных выше недостатков, а именно возможность передачи электрической энергии и информации через металлические поверхности, что и является поставленной задачей.

Для достижения этой цели способ беспроводной передачи энергии и информации характеризуется по существу тем, что дополнительно способ включает в себя следующие этапы:

располагают на передающем устройстве преобразователь электрической энергии в энергию механических колебаний, имеющий резонансную частоту,

преобразователь электрической энергии в энергию механических колебаний крепят к корпусу передающего устройства,

располагают на принимающем устройстве преобразователь энергии механических колебаний в электрическую энергию, имеющий одинаковую резонансную частоту,

преобразователь энергии механических колебаний в электрическую энергию крепят к корпусу принимающего устройства,

индуцируют на этой резонансной частоте механические колебания в преобразователе электрической энергии в энергию механических колебаний,

соединяют плотно между собой корпуса переедающего и принимающего устройств для передачи механических колебаний.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность передавать электроэнергию, например, электропитание, через любые твердые поверхности, в том числе металлические.

Существует преимущественный вариант исполнения данного способа, при котором используют в качестве преобразователя энергии механических колебаний в электрическую энергию и преобразователя энергии механических колебаний в электрическую энергию пьезоэлементы.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность конкретизации способа, когда выбрано конкретное исполнение преобразователей.

Существует также вариант исполнения данного способа, при котором используют в качестве материала для корпусов устройств – металл.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность конкретизации способа, когда выбрано конкретное исполнение материала для корпусов устройств. Это важно для передачи энергии для различных подводных устройств, работающих на больших глубинах и имеющих прочный нормобарический корпус из металла.

Существует ещё один вариант исполнения данного способа, при котором модулируют в передаваемом электрическом сигнале информацию для передачи информации.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность передавать информацию путем модуляции опорного периодического сигнала.

Совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения как способа неизвестна из уровня техники для способов аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения в отношении способа. Кроме того, данное решение неочевидно для специалиста в данной области.

Уровень техники системы.

Из того же уровня техники известна беспроводной передачи энергии и информации, при котором используют передающее устройство и принимающее устройство, имеющее блок накопления электроэнергии. См патент на изобретение № 2419945, Дата публикации заявки: 10.03.2010,  опубликован в 27.05.2011 году.

Данная система является наиболее близкой по технической сути и достигаемому техническому результату и выбрана за прототип предлагаемого изобретения как системы.

Недостатком этого прототипа также является невозможность его применения для передачи энергии и информации через металлические поверхности.

Раскрытие изобретения как системы.

Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить систему беспроводной передачи энергии и информации, позволяющую, по меньшей мере, сгладить, как минимум, один из указанных выше недостатков, а именно возможность передачи электрической энергии и информации через металлические поверхности, что и является поставленной задачей.

Для достижения этой цели система беспроводной передачи энергии и информации характеризуется по существу тем, что передающее устройство включает в себя преобразователь энергии электрической энергии в энергию механических колебаний, который расположен на внутренней стороне корпуса передающего устройства, а принимающее устройство включает в себя преобразователь энергии механических колебаний в электрическую энергию, который расположен на внутренней стороне корпуса принимающего устройства, соединенный с блоком накопления электрической энергии.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность передавать электроэнергию, например, электропитание, через любые твердые поверхности, в том числе металлические.

Существует преимущественный вариант исполнения данной системы, при котором преобразователь энергии механических колебаний в электрическую энергию и преобразователь электрической энергии в энергию механических колебаний выполнены в виде пьезоэлементов.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность конкретизации системы, когда выбрано конкретное исполнение преобразователей.

Существует ещё один вариант исполнения данной системы, при котором передающее устройство имеет блок модуляции высокочастотного информационного сигнала, соединённый с преобразователем энергии электрической энергии в энергию механических колебаний.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность передавать модулированный высокочастотный информационный сигнал.

Существует также вариант исполнения данной системы, при котором принимающее устройство имеет блок демодуляции высокочастотного информационного сигнала, соединённый с преобразователем энергии механических колебаний в электрическую энергию.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность получать модулированный высокочастотный информационный сигнал и выделять из него информацию.

Существует кроме того вариант исполнения данной системы, при котором корпуса устройств выполнены из металлов.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность конкретизации системы, когда выбрано конкретное исполнение материала для корпусов устройств. Это важно для передачи энергии для различных подводных устройств, работающих на больших глубинах и имеющих прочный нормобарический корпус из металла.

Совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения неизвестна из уровня техники для способов аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения в отношении способа. Кроме того, данное решение неочевидно для специалиста в данной области,

Краткое описание чертежей.

Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:

- фигура 1 изображает функциональную схему системы беспроводной передачи энергии и информации, согласно изобретению,

- фигура 2 изображает электрическую схему системы беспроводной передачи энергии и информации, согласно изобретению,

- фигура 3 схематично изображает этапы способа беспроводной передачи энергии и информации, согласно изобретению.

На фигурах обозначены:

1 - приемный преобразователь энергии электрической энергии в энергию механических колебаний,

2 - передающий преобразователь энергии механических колебаний в электрическую энергию,

3 – выпрямитель,

4 - согласующий трансформатор,

5 - силовые транзисторы,

6 - модулирующий контур (DRV - драйверы, & - элемент «И», G - задающий генератор, S - Источник цифрового сигнала),

7 - акустически проводящая среда,

8 - передающее устройство,

9 - принимающее устройство,

10 - блок накопления электроэнергии,

11 - блок модуляции высокочастотного информационного сигнала,

12 - блок демодуляции высокочастотного информационного сигнала,

13 – изолированный объект, которому необходима передача энергии или информации.

Согласно фигурам 1 и 2 система беспроводной передачи энергии и информации включает в себя передающее устройство 8 и принимающее устройство 9, имеющее блок 10 накопления электроэнергии. Передающее устройство 8 включает в себя преобразователь 1 энергии электрической энергии в энергию механических колебаний, который расположен на внутренней стороне корпуса передающего устройства 8.

Принимающее устройство 9 включает в себя преобразователь 2 энергии механических колебаний в электрическую энергию, который расположен на внутренней стороне корпуса принимающего устройства 9, соединенный с блоком 10 накопления электрической энергии.

Преобразователь 2 энергии механических колебаний в электрическую энергию и преобразователь 1 электрической энергии в энергию механических колебаний выполнены в виде пьезоэлементов.

Передающее устройство 8 имеет блок модуляции 11 высокочастотного информационного сигнала, соединённый с преобразователем 1 энергии электрической энергии в энергию механических колебаний.

Принимающее устройство 9 имеет блок демодуляции 12 высокочастотного информационного сигнала, соединённый с преобразователем 2 энергии механических колебаний в электрическую энергию.

Осуществление изобретения.

Способ беспроводной передачи энергии и информации работает следующим образом. Приведем наиболее исчерпывающий пример реализации изобретения. Имея в виду, что данный пример не ограничивает применения изобретения.

Согласно фигуре 3:

Этап А1. Предварительно располагают на передающем устройстве 8 преобразователь 1 электрической энергии в энергию механических колебаний, имеющий резонансную частоту.

Этап А2. Преобразователь 1 электрической энергии в энергию механических колебаний крепят к корпусу передающего устройства 8.

Этап А3. Располагают на принимающем устройстве преобразователь энергии механических колебаний в электрическую энергию, имеющий одинаковую резонансную частоту,

Этап А4. Преобразователь энергии механических колебаний в электрическую энергию крепят к корпусу принимающего устройства,

Этап А5. Индуцируют на этой резонансной частоте механические колебания в преобразователе электрической энергии в энергию механических колебаний,

Этап А6. Соединяют плотно между собой корпуса переедающего и принимающего устройств для передачи механических колебаний. В результате соприкосновения происходит передача вибраций/ акустических волн/ механических колебаний от передающего устройства 8 к принимающему устройству 9. То есть один соответствующий пьезоэлемент меняет свою форму под действием переменного тока на резонансной частоте, и заставляет второй соответствующий пьезоэлемент синхронно менять свою форму и индуцировать электрический сигнал в принимающем устройстве.

Этап А7. При необходимости модулируют в передаваемом электрическом сигнале информацию для передачи информации.

В общем случае можно как передавать, так и получать информацию.

Последовательность этапов является примерной и позволяет переставлять, убавлять, добавлять или производить некоторые операции одновременно без потери возможности обеспечивать навигацию подводных объектов.

Промышленная применимость.

Предлагаемый способ беспроводной передачи энергии и информации и система могут быть осуществлены специалистом на практике и при осуществлении обеспечивают реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.

В соответствии с предложенным изобретением изготовлен опытный образец системы беспроводной передачи энергии и информации.

Схема была проверена при передаче энергии и информации через металлическую пластину толщиной 4 мм при помощи двух плоских пьезоэлементов (Ф=50 мм, h=3 мм, резонансная частота пьезоэлеметов Fr = 57 кГц). Напряжение питания Us, использованное в эксперименте составило 25-30 Вольт. Измерялся ток и напряжение на передающем устройстве, а также напряжение и ток на нагрузке Rl, по результатам экспериментов, был определен коэффициент полезного действия, он составил КПД = от 30 до 35%.

Дополнительно, при модуляции несущего колебания при помощи последовательного интерфейса (при умножении цифрового сигнала на опорное колебание) становится возможным передача информации вышеописанным способом.

Таким образом испытания опытного образца системы беспроводной передачи энергии и информации показали, что она обеспечивает возможность передачи электрической энергии и информации через металлические поверхности.

Эффект от применение данного изобретения может состоять в:

- увеличении срока службы различных подводных механизмов, при обеспечении простого и дешевого способа их подзарядки без применения гермовводов и/или герморазъемов - непосредственно через корпус

- повышении эффективности работы автономных необитаемых подводных аппаратов с обеспечением их подзарядки, выгрузки накопленных данных, и/или обновления программного обеспечения без необходимости всплытия.

Использование: в области электротехники. Технический результат – обеспечение возможности передачи энергии и информации через металлические поверхности. Согласно изобретению располагают на передающем устройстве преобразователь электрической энергии в энергию механических колебаний, имеющий резонансную частоту, преобразователь электрической энергии в энергию механических колебаний крепят к корпусу передающего устройства. Располагают на принимающем устройстве преобразователь энергии механических колебаний в электрическую энергию, имеющий одинаковую резонансную частоту. Преобразователь энергии механических колебаний в электрическую энергию крепят к корпусу принимающего устройства. Индуцируют на этой резонансной частоте механические колебания в преобразователе электрической энергии в энергию механических колебаний, соединяют плотно между собой корпуса переедающего и принимающего устройств для передачи механических колебаний. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ беспроводной передачи энергии и информации, при котором используют передающее устройство и принимающее устройство, имеющее блок накопления электроэнергии, отличающийся тем, что

- располагают на передающем устройстве преобразователь электрической энергии в энергию механических колебаний, имеющий резонансную частоту,

- преобразователь электрической энергии в энергию механических колебаний крепят к корпусу передающего устройства,

- располагают на принимающем устройстве преобразователь энергии механических колебаний в электрическую энергию, имеющий одинаковую резонансную частоту,

- преобразователь энергии механических колебаний в электрическую энергию крепят к корпусу принимающего устройства,

- индуцируют на этой резонансной частоте механические колебания в преобразователе электрической энергии в энергию механических колебаний,

- соединяют плотно между собой корпуса передающего и принимающего устройств для передачи механических колебаний.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют в качестве преобразователя энергии механических колебаний в электрическую энергию и преобразователя энергии механических колебаний в электрическую энергию пьезоэлементы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют в качестве материала для корпусов устройств металл.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что модулируют в передаваемом электрическом сигнале информацию для передачи информации.

5. Система беспроводной передачи энергии и информации, включающая в себя передающее устройство и принимающее устройство, имеющее блок накопления электроэнергии, отличающаяся тем, что передающее устройство включает в себя преобразователь энергии электрической энергии в энергию механических колебаний, который расположен на внутренней стороне корпуса передающего устройства, а принимающее устройство включает в себя преобразователь энергии механических колебаний в электрическую энергию, который расположен на внутренней стороне корпуса принимающего устройства, соединенный с блоком накопления электрической энергии.

6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что преобразователь энергии механических колебаний в электрическую энергию и преобразователь электрической энергии в энергию механических колебаний выполнены в виде пьезоэлементов.

7. Система по п. 5, отличающаяся тем, что передающее устройство имеет блок модуляции высокочастотного информационного сигнала, соединённый с преобразователем энергии электрической энергии в энергию механических колебаний.

8. Система по п. 7, отличающаяся тем, что принимающее устройство имеет блок демодуляции высокочастотного информационного сигнала, соединённый с преобразователем энергии механических колебаний в электрическую энергию.

9. Система по п. 5, отличающаяся тем, что корпуса устройств выполнены из металлов.