УСТРОЙСТВО БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ Российский патент 2023 года по МПК H02J50/12 

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к устройствам беспроводной передачи энергии, способным заряжать одно или несколько мобильных устройств одновременно.

В работе [Т. Sasatani, A. P. Sample, Y. Kawahara, T Nat Electron., 4, 689–697 (2021)] предложен способ магнитоквазистатической беспроводной передачи энергии с помощью многомодового объемного резонатора. Устройство содержит источник питания, генератор переменного тока, радиочастотный усилитель, цепи согласования импедансов, передатчик электромагнитной энергии в виде рамочной антенны, субволновой объемный резонатор, состоящий из металлических проводников и конденсаторов, и включающий не менее одного приемника электромагнитной энергии внутри своего пространства. Для обеспечения равномерного распределения амплитуды магнитного поля используется одновременное возбуждение двух собственных мод субволнового объемного резонатора на разных частотах. Одна из собственных мод имеет максимум амплитуды переменного магнитного поля в центре субволнового резонатора, а вторая – вблизи краев. Данное решение имеет ряд недостатков: 1) субволновой объемный резонатор имеет геометрию, которую сложно внедрить в помещения, так как большая часть их стен будет находиться под напряжением, что может быть опасно при постоянном использовании; 2) другим недостатком этого устройства является одновременное возбуждение двух мод для получения равномерного распределения амплитуды переменного магнитного поля внутри пространства. Кроме того, вектор индукции переменного магнитного поля колеблется в горизонтальной плоскости, что сложно применимо для бытового использования.

Наиболее близким решением, принятым за прототип, является работа «Беспроводная передача энергии» (патент США US10819151B2, МПК H02J50/12, дата приоритета 03.10.2016, дата публикации 27.10.2020). Устройство содержит источник питания, генератор переменного тока, радиочастотный усилитель, цепи согласования импедансов, передатчик электромагнитной энергии в виде рамочной антенны, субволновой объемный резонатор, состоящий из металлических проводников и конденсаторов и включающий не менее одного приемника электромагнитной энергии внутри пространства субволнового объемного резонатора. Устройство создает стоячие электромагнитные волны внутри субволнового объемного резонатора через металлический столб с зазором и конденсатором. Переменный ток протекает по элементам субволнового объемного резонатора и имеет максимум на металлическом столбе. Для осуществления беспроводной передачи энергии субволновой объемный резонатор настраивают на рабочую резонансную частоту. Недостатком прототипа является неравномерное распределение амплитуды переменного магнитного поля во внутреннем пространстве субволнового объемного резонатора, что приводит к неодинаковой эффективности передачи энергии в зависимости от расположения приемников электромагнитной энергии.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является достижение одинаковой эффективности заряда нескольких приемников электромагнитной энергии во внутреннем пространстве субволнового объемного резонатора на одной частоте.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в увеличении равномерности распределения амплитуды переменного магнитного поля во внутреннем пространстве субволнового объемного резонатора.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в использовании устройства беспроводной передачи энергии, включающего по меньшей мере источник питания, генератор переменного тока, радиочастотный усилитель, цепи согласования импедансов, передатчик электромагнитной энергии в виде рамочной антенны и субволнового объемного резонатора, состоящего из металлических проводников и конденсаторов, и включающего не менее одного приемника электромагнитной энергии внутри пространства резонатора, отличающегося тем, что субволновой объемный резонатор представляет собой массив расположенных параллельно друг к другу резонансных контуров, выполненных из одного или нескольких витков провода, и содержащих конденсаторы, при этом резонансные контуры связаны между собой индуктивно и/или посредством проводников.

Сущность поясняется фигурами, где:

на фиг. 1 – пример структурной схемы устройства беспроводной передачи энергии, где (а) - выход первой цепи согласования подключен к субволновому объемному резонатору проводным способом и (б) - выход первой цепи согласования подключен к рамочной антенне, которая индуктивно связана с субволновым объемным резонатором;

на фиг. 2 – (а) – численно рассчитанное распределение амплитуды ближнего переменного магнитного поля устройства беспроводной передачи энергии вдоль оси X, проходящей через центр субволнового объемного резонатора, и (б) – вдоль оси Y. L – размер субволнового объемного резонатора вдоль оси X, H – вдоль оси Y.

на фиг. 3 – (а) – численно рассчитанная карта распределения амплитуды ближнего переменного магнитного поля устройства беспроводной передачи энергии при помещении приемника электромагнитной энергии и (б) – численно рассчитанный график зависимости эффективности передачи энергии от положения приемника электромагнитной энергии во внутреннем пространстве субволнового объемного резонатора.

Устройство беспроводной передачи энергии (фиг.1) состоит из источника питания 1, к которому подключены генератор переменного тока 2 и радиочастотный усилитель 3, соединенный последовательно с первой цепью согласования импедансов 4, и передатчиком электромагнитной энергии 5. Первая цепь согласования импедансов 4 реализована, например, из катушек индуктивностей и конденсаторов. В качестве передатчика электромагнитной энергии 5 используется субволновой объемный резонатор, сформированный из нескольких параллельно расположенных резонансных контуров 9, в виде металлических проводов 10, разделенных конденсаторами 11. Переменный ток на субволновой объемный резонатор подается, например, проводным способом при подключении выхода первой цепи согласования 12 к резонансным контурам 9 (фиг. 1 (а)), либо беспроводным способом при подключении выхода первой цепи согласования 12 к передающей рамочной антенне (фиг. 1 (б)). Внутри пространства субволнового объемного резонатора расположена приемная часть, которая состоит из приемника электромагнитной энергии 6, второй цепи согласования импедансов 7 и омической нагрузки 8. В качестве приемника электромагнитной энергии 6 используется, например, рамочная антенна. Передатчик электромагнитной энергии 5 выполнен с возможностью индуктивной связи с приемником электромагнитной энергии 6. Вторая цепь согласования импедансов 7 реализована, например, из катушек индуктивностей и конденсаторов.

Устройство работает следующим образом: радиочастотный усилитель 3, подключенный к источнику питания 1, усиливает, создаваемый в генераторе 2 переменный электрический ток частотой f, который поступает через первую цепь согласования импедансов 4 через выход 12 в передатчик электромагнитной энергии 5. Первая цепь согласования импедансов 4 обеспечивает согласование выходного импеданса радиочастотного усилителя 3 и входного импеданса передатчика электромагнитной энергии 5. Ток в передатчике электромагнитной энергии 5 возбуждает собственную моду субволнового объемного резонатора на частоте f. За счет этого внутри субволнового объемного резонатора концентрируется ближнее радиочастотное магнитное поле, вектор магнитной индукции которого ориентирован перпендикулярно плоскостям резонансных контуров 9 во внутреннем пространстве. Фиг. 2 отражает равномерное распределение амплитуды переменного магнитного поля во внутреннем пространстве субволнового объемного резонатора. При помещении приемника электромагнитной энергии 6 во внутреннее пространство субволнового объемного резонатора, в приемнике возникает переменный ток (фиг. 3 (а)). Вторая цепь согласования 6 позволяет согласовать выходной импеданс приемника электромагнитной энергии 6 и входной импеданс омической нагрузки 8. Благодаря равномерному распределению амплитуды переменного магнитного поля устройство беспроводной передачи энергии может зарядить несколько мобильных устройств (на фигуре не показано). Фиг. 3 (б) демонстрирует численные результаты, которые отражают то, что приемник электромагнитной энергии 6 может располагаться в любой точке внутреннего пространства субволнового объемного резонатора и принимать энергию с одинаковой эффективностью без повторного согласования импедансов устройства беспроводной передачи энергии.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам беспроводной передачи энергии, способным заряжать одно или несколько мобильных устройств одновременно. Устройство беспроводной передачи энергии содержит источник питания, генератор переменного тока, радиочастотный усилитель, цепи согласования импедансов, передатчик электромагнитной энергии в виде рамочной антенны и субволнового объемного резонатора, состоящего из металлических проводников и конденсаторов, и включает не менее одного приемника электромагнитной энергии внутри пространства резонатора, при этом субволновой объемный резонатор представляет собой массив расположенных параллельно друг к другу резонансных контуров, выполненных из одного или нескольких витков провода и содержащих конденсаторы, при этом резонансные контуры связаны между собой индуктивно и/или посредством проводников. Техническим результатом является достижение одинаковой эффективности заряда нескольких приемников электромагнитной энергии во внутреннем пространстве субволнового объемного резонатора на одной частоте. 3 ил.

Устройство беспроводной передачи энергии содержит источник питания, генератор переменного тока, радиочастотный усилитель, цепи согласования импедансов, передатчик электромагнитной энергии в виде рамочной антенны и субволнового объемного резонатора, состоящего из металлических проводников и конденсаторов, и включает не менее одного приемника электромагнитной энергии внутри пространства резонатора, отличается тем, что субволновой объемный резонатор представляет собой массив расположенных параллельно друг другу резонансных контуров, выполненных из одного или нескольких витков провода и содержащих конденсаторы, при этом резонансные контуры связаны между собой индуктивно и/или посредством проводников.