СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ДЛЯ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
SYSTEMS AND METHODS FOR WIRELESS TRANSMISSION OF ENERGY

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
В соответствии с Разделом 35 Кодекса США, § 119(e), настоящая заявка испрашивает приоритет согласно следующим заявкам на патенты, каждая из которых включена в данный документ с помощью ссылок: предварительная заявка на патент США, №62/310557, название "Дистанционная беспроводная энергетическая технология", зарегистрирована 18 марта 2016 г., предварительная заявка на патент США, №62/343776, название "Дистанционная беспроводная энергетическая технология", зарегистрирована 31 мая 2016 г., и предварительная заявка на патент США, №62/348640, название "Дистанционная беспроводная энергетическая технология", зарегистрирована 10 июня 2016 г.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к беспроводной передаче энергии. Более конкретно, данное изобретение относится к способам и системам для беспроводной передачи энергии для ее использования потребляющими энергию устройствами.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Портативные электронные и электрические устройства для непрерывной работы обеспечиваются питанием от батарей. Такие портативные электронные и электрические устройства включают интеллектуальные телефоны, планшеты, ноутбуки, персональные информационные устройства, электрокары, камеры, роботы, медицинские устройства и т.п.Постоянно повышается частота зарядки этих устройств, так как увеличиваются их функциональные возможности и соответственно возрастает нагрузка на батареи. Такие устройства обычно заряжаются проводным соединением с источником питания. Существует также технология беспроводной зарядки электронных устройств путем их размещения для зарядки на индуктивных зарядных площадках или в непосредственной близости от таких площадок. В индуктивных зарядных площадках используется магнитная индукция для зарядки устройств за счет индукции.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В первом примере представлена система беспроводной передачи энергии. Система беспроводной передачи энергии может включать передающий преобразователь, генератор сигналов и один или более энергопринимающих устройств. Передающий преобразователь может генерировать магнитное поле в области передачи энергии во время прохождения сигнала передачи. Генератор сигналов может быть выполнен с возможностью электрического соединения с передающим преобразователем. Генератор сигналов может быть выполнен с возможностью получения электрического сигнала от источника питания. Кроме того, генератор сигналов может быть выполнен с возможностью генерировать сигнал передачи переменного тока с передаваемой частотой по меньшей мере 500 Гц от первого электрического сигнала. Более того, генератор сигналов может быть выполнен с возможностью передавать сигнал передачи на передающий преобразователь с передаваемой частотой.
Один или более энергопринимающих устройств могут быть выполнены с возможностью электрического соединения с одной или более нагрузками. Каждый из энергопринимающих устройств может включать принимающий преобразователь и процессор энергии. Принимающий преобразователь может быть выполнен с возможностью получать за счет индукции переменный по времени магнитный поток магнитного поля, передаваемого от передающего преобразователя, когда принимающий преобразователь находится в области передачи энергии. Кроме того, принимающий преобразователь может быть выполнен с возможностью конвертировать переменный по времени магнитный поток во второй электрический сигнал. Второй электрический сигнал может быть переменным по времени электрическим сигналом. Второй электрический сигнал может иметь частоту передачи сигнала передачи. Процессор энергии можно электрически соединять с принимающим преобразователем. Процессор энергии может быть выполнен с возможностью конвертировать второй электрический сигнал в третий электрический сигнал, пригодный для соответствующих одной или нескольких нагрузок.
Во втором примере приводится способ беспроводной передачи энергии.
Способ может включать получение генератором сигналов первого электрического сигнала от источника питания, генерирование генератором сигналов сигнала передачи переменного тока с передаваемой частотой по меньшей мере 500 Гц от первого электрического сигнала, генерирование генератором сигналов магнитного поля в области передачи энергии при прохождении сигнала передачи с передаваемой частотой на передающий преобразователь, получение за счет индукции принимающим преобразователем одного или более энергопринимающих устройств переменного по времени магнитного потока магнитного поля, передаваемого от передающего преобразователя, когда принимающий преобразователь находится в области передачи энергии, конвертация принимающим преобразователем переменного по времени магнитного потока во второй электрический сигнал, имеющий частоту передачи сигнала передачи, и конвертация второго электрического сигнала в третий электрический сигнал, пригодный для соответствующих одной или нескольких нагрузок, процессором энергии, выполненным с возможностью соединения с одной нагрузкой, или с несколькими нагрузками, включающими первую нагрузку.
В третьем примере устройство беспроводной передачи энергии может включать генератор сигналов. Генератор сигналов может получать первый электрический сигнал от источника питания. Кроме того, генератор сигналов может генерировать сигнал передачи переменного тока с передаваемой частотой по меньшей мере 500 Гц от первого электрического сигнала. Более того, генератор сигналов может передавать сигнал передачи на передающий преобразователь с передаваемой частотой.
В четвертом примере приводится способ беспроводной передачи энергии. Способ может включать получение генератором сигналов первого электрического сигнала от источника питания, генерирование генератором сигналов сигнала передачи переменного тока с передаваемой частотой по меньшей мере 500 Гц от первого электрического сигнала, генерирование генератором сигналов магнитного поля в области передачи электроэнергии при прохождении сигнала передачи с передаваемой частотой на передающий преобразователь для передачи энергии на принимающее устройство, имеющее принимающий преобразователь, расположенный в зоне магнитного поля.
В пятом примере приводится беспроводное энергопринимающее устройство. Беспроводное энергопринимающее устройство может быть выполнено с возможностью электрического соединения с электрической нагрузкой. Беспроводное энергопринимающее устройство может включать принимающий преобразователь и процессор электроэнергии. Принимающий преобразователь может быть выполнен с возможностью получать за счет индукции переменный по времени магнитный поток магнитного поля, передаваемого от передающего преобразователя, когда принимающий преобразователь находится в области передачи электроэнергии. Кроме того, принимающий преобразователь может быть выполнен с возможностью конвертировать переменный по времени магнитный поток в переменный по времени первый электрический сигнал, имеющий частоту передачи по меньшей мере 500 Гц. Процессор электроэнергии может быть выполнен с возможностью электрического соединения с принимающим преобразователем и с возможностью конвертировать первый электрический сигнал во второй электрический сигнал, пригодный к нагрузке.
В шестом примере приведен способ беспроводного приема энергии энергопринимающим устройством, которое может быть выполнено с возможностью электрического соединения с электрической нагрузкой. Способ может включать получение за счет индукции переменного по времени магнитного потока магнитного поля, передаваемого от передающего преобразователя, когда принимающий преобразователь находится в области передачи электроэнергии, принимающим преобразователем одного или более энергопринимающих устройств в области передачи электроэнергии, конвертирование принимающим преобразователем переменного по времени магнитного потока в переменный по времени первый электрический сигнал, имеющий частоту передачи по меньшей мере 500 Гц, и конвертирование процессором электроэнергии первого электрического сигнала во второй электрический сигнал, пригодный для электрической нагрузки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Выполнив таким образом описание изобретения в общих чертах, переходим к прилагаемым чертежам, которые не обязательно выполнены в масштабе.
На фиг. 1 изображена блок-схема примера системы беспроводной передачи энергии на одно или более устройств.
На фиг. 2 изображена блок-схема, которая иллюстрирует различные компоненты системы беспроводной передачи энергии.
На фиг. 3 изображен пример применения беспроводной передачи энергии для обеспечения электропитанием летательного аппарата в области передачи энергии.
На фиг. 4 показан в поперечном сечении проводник передающего устройства, который проводит сигнал передачи, генерирующий магнитное поле вокруг проводника для беспроводной передачи энергии на принимающее устройство.
На фиг. 5 изображена блок-схема беспроводной передачи энергии.
На фиг. 6 изображен пример распределения областей передачи энергии, в которых может перемещаться летательный аппарат.
В описании изобретения могут быть дополнительные структуры, которые не изображены на чертежах, но отсутствие такого изображения не должно считаться исключением такой конструкции из описания изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Перед подробным описанием примеров осуществления изобретения следует принять во внимание, что в примерах осуществления изобретения могут использоваться компоненты системы и операции способа, относящиеся к беспроводным компонентам и операциям отправления, приема и передачи энергии. Соответственно, компоненты системы приведены, где это необходимо, с указанием обозначений на чертежах, с отображением конкретных подробностей, которые адекватны для понимания примеров осуществления изобретения, чтобы не перегружать описание подробностями, которые являются несомненными для специалистов обычной квалификации в данной области техники, и повышать его качество.
В настоящем документе подробно раскрываются примеры осуществления изобретения; однако, следует понимать, что раскрытые варианты осуществления изобретения приводятся только для примера заявленного изобретения, которое может осуществляться в других формах. Поэтому раскрытые в настоящем документе конкретные структурные и функциональные подробности нельзя интерпретировать как ограничивающие, но надо их понимать просто как основание для формулы изобретения и как базис для обучения специалистов в данной области техники использованию различным образом описанных концепций в соответствующих структурах и процессах. Далее, используемые в настоящем документе термины и выражения не предназначены для ограничений, но скорее для обеспечения понятного описания предметов изобретения по существу.
Фиг. 1 иллюстрирует блок-схему примера системы беспроводной передачи энергии 100 для беспроводной передачи энергии. Система беспроводной передачи энергии 100 обеспечивает передачу электрической энергии в реальном режиме времени на одно или несколько устройств. Система беспроводной передачи энергии 100 может использоваться в замкнутой среде. В одном из примеров система беспроводной передачи энергии 100 может использоваться в офисах, домах или в закрытых помещениях иного типа. Закрытым помещением может быть комната, коридор, конференц-зал или любое другое место внутри здания.
Система беспроводной передачи энергии 100 может также использоваться в открытой среде. Например, система беспроводной передачи энергии 100 может использоваться за пределами здания. Зона за пределами здания может включать закрытую площадь с открытым просветом в открытую среду в непосредственной близости от закрытой площади. В следующем примере система беспроводной передачи энергии 100 может обеспечивать передачу энергии на расстояние 10 метров или более внутри замкнутой среды. Система беспроводной передачи энергии 100 может обеспечивать передачу энергии на расстояние 20 метров или более в открытой среде. Эти расстояния основаны скорее на предполагаемой технической возможности систем по передаче энергии, чем на каких-либо характеристиках открытой или закрытой среды.
Система беспроводной передачи энергии 100 может обеспечивать беспроводную передачу энергии на одно устройство пользователя или на несколько устройств пользователя одновременно или последовательно.
Например, система беспроводной передачи энергии 100 может обеспечивать энергией летательные аппараты, такие как беспилотные летательные аппараты, в том числе дроны, в открытом пространстве, что требует мощности более 500 Вт. В некоторых примерах дроны могут обеспечиваться электроэнергией на расстояние 20 или более метров от устройства беспроводной передачи электроэнергии 114. Система беспроводной передачи энергии 100 может одновременно или последовательно обеспечивать электроэнергией множество устройств. Система беспроводной передачи энергии 100 может включать устройство передачи 106, выполненное с возможностью соединения с источником питания 104, и беспроводное энергопринимающее устройство 108, выполненное с возможностью соединения с нагрузкой 110. Устройство передачи 106 может включать генератор сигналов 112 и передающий преобразователь 114. Беспроводное энергопринимающее устройство 108 включает принимающий преобразователь 116 и процессор электроэнергии 118. Далее, в некоторых примерах устройство передачи 106 включает устройство беспроводной передачи энергии 202 (показано на фиг. 2), которое включает генератор сигналов 112.
В этом примере генератор сигналов 112 подает сигнал передачи на передающий преобразователь 114. Передающий преобразователь 114 может быть антенной. Например, передающий преобразователь может быть проводящим витком или проводящим контуром, образованным электрическим проводником, который передает сигнал передачи. В некоторых примерах проводник может продлеваться в любой подходящей конфигурации, при этом весь проводник (или часть проводника) не экранирован(а) и не заземлен(а), чтобы генерировать магнитное поле в области передачи энергии 102. Часть проводника, генерирующая магнитное поле, может иметь конфигурацию, которая отличается от конфигурации непрерывного контура и может по своей длине генерировать одну или более областей передачи энергии. Прохождение сигнала передачи по длине электрического проводника может формировать область передачи энергии по длине проводника. Область передачи энергии может проходить на экранированный проводник, расположенный на некотором расстоянии от генератора сигналов 112 по мере целесообразности для конкретного применения.
Когда беспроводное энергопринимающее устройство 108 находится в зоне передачи энергии 102, беспроводное энергопринимающее устройство 108 может получать энергию из магнитного поля. Кроме того, генерируемое электрическим проводником магнитное поле наводит напряжение на терминалы принимающего преобразователя 116.
Система беспроводной передачи энергии 100 обеспечивает беспроводную передачу энергии, когда беспроводное энергопринимающее устройство 108 располагается в зоне передачи энергии 102. Зона передачи энергии 102 находится внутри пространства, в котором беспроводное энергопринимающее устройство 108 способно получать энергию из магнитного поля, генерируемого передающим преобразователем 114. Далее, как упоминалось выше, беспроводное энергопринимающее устройство 108 может соединяться с одной или несколькими нагрузками соответствующего одного или нескольких устройств. Одно или несколько устройств могут быть одним или несколькими электрическими устройствами, одним или несколькими электронными устройствами, электромеханическими устройствами, такими как беспилотные летательные аппараты, и т.п. Примеры этих одного или нескольких устройств включают смартфоны, планшеты, ноутбуки, персональные информационные устройства, беспилотные летательные аппараты и т.п. Одно или несколько устройств могут быть любыми устройствами, использующими батареи в качестве источников питания, такими как носимые вычислительные устройства, портативные МР3-плейеры и т.п. Батарея такого устройства действует как нагрузка 110. Нагрузка 110 электрически соединяется с беспроводным энергопринимающим устройством 108. Кроме того, нагрузка 110 может быть устройством, которое для работы использует электрическую энергию. В некоторых примерах устройства могут работать непосредственно от энергии, получаемой от системы беспроводной передачи энергии 100, с зарядкой батареи или без ее зарядки.
Беспроводное энергопринимающее устройство 108 может включать один или более компонентов, которые обеспечивают прием сигнала передачи и подачу энергии на нагрузку каждого соответствующего устройства. Система беспроводной передачи энергии 100 осуществляет беспроводное снабжение электроэнергией одного или нескольких устройств, которые могут находиться на больших расстояниях от устройства передачи 106 в соответствии с конкретным применением. Одно или несколько устройств не обязательно должны находиться в непосредственной близости от устройства передачи 106 для беспроводного получения энергии. Устройство беспроводной передачи энергии 202 взаимосвязано за счет индукции с беспроводным энергопринимающим устройством 108, когда беспроводное энергопринимающее устройство 108 находится зоне передачи энергии 102. Индуктивная взаимосвязь базируется на связи по электромагнитному полю устройства беспроводной передачи энергии 202 и беспроводного энергопринимающего устройства 108. В одном из примеров осуществления изобретения устройство беспроводной передачи энергии 202 может электрически соединяться с одним или несколькими энергопринимающими устройствами в иных целях кроме передачи энергии. Каждое энергопринимающее устройство выполнено с возможностью электрического соединения с соответствующим устройством. Беспроводное энергопринимающее устройство 108 устанавливается или размещается поблизости от устройства передачи 106. Устройство передачи осуществляет беспроводную передачу электрической энергии на нагрузку 110, когда она связана с энергопринимающим устройством 108. Когда нагрузка 110 включает перезаряжаемую батарею, передаваемая электрическая энергия может использоваться для зарядки в реальном режиме времени батареи устройств пользователя, если они имеют энергопринимающее устройство 108 или если соединены с энергопринимающим устройством 108.
Далее, генератор сигналов 112 выполнен с возможностью соединения с источником питания 104. Источник питания 104 подает первый электрический сигнал на генератор сигналов 112. Например, источник питания 104 может электрически соединяться с входным портом генератора сигналов 112. В одном из примеров осуществления изобретения источника питания 104 является источником питания переменного тока, имеющим заданное напряжение и заданную частоту. Примеры промышленных напряжений и частот включают 110 вольт при 50 герцах, 110 вольт при 100 герцах, 220 вольт при 50 герцах, 110 вольт при 60 герцах, 120 вольт при 60 герцах, 230 вольт при 50 герцах. Источника питания 104 может быть трехфазным источником питания.
Например, генератор сигналов 112 может просто подключаться к источнику питания 110 вольт или 220 вольт, если имеется. В другом примере источник питания 104 является источником питания постоянного тока. Источник питания постоянного тока подает постоянный ток на генератор сигналов 112. Источник питания переменного или постоянного тока может обеспечиваться генератором, источником возобновляемой энергии, таким как источник солнечной энергии, ветроагрегат, гидравлический источник питания или иной имеющийся источник питания.
Генератор сигналов 112 может быть выполнен с возможностью получения первого электрического сигнала от источника питания 104. Генератор сигналов 112 является электронным устройством, генерирующим сигнал передачи переменного тока на основе первого электрического сигнала. В некоторых примерах осуществления изобретения генератор сигналов 112 является генератором сигналов регулируемой мощности и частоты.
Кроме того, сигнал передачи переменного тока имеет частоту передачи по меньшей мере 500 Гц. Сигналы передачи высокой частоты могут способствовать использованию структур принимающего устройства с параметрами, соответствующими устройствам, принимающим беспроводную энергию. В одном из примеров осуществления изобретения генератор сигналов 112 генерирует сигнал передачи с частотой в диапазоне 10 кГц-500 кГц. В другом примере осуществления изобретения генератор сигналов 112 генерирует сигнал передачи с частотой в диапазоне 5 кГц-1000 кГц. В следующем примере осуществления изобретения генератор сигналов 112 генерирует сигнал передачи с частотой в диапазоне 500 кГц-100 МГц. Генератор сигналов 112 может располагаться внутри или за пределами зоны передачи энергии 102. Генератор сигналов 112 может быть выполнен с возможностью передавать сигнал передачи на передающий преобразователь 114 с передаваемой частотой.
Генератор сигналов 112 может быть выполнен с возможностью электрического соединения с передающим преобразователем 114. Кроме того, передающий преобразователь 114 можно переносить в положение, находящееся на соответствующем расстоянии от генератора сигналов 112. Соответствующим расстоянием может быть заранее заданное расстояние, при котором генератор сигналов 112 находится за пределами зоны передачи энергии 102. В одном из примеров осуществления изобретения терминалы передающего преобразователя 114 соединены с соответствующими портами генератора сигналов 112.
В некоторых примерах осуществления изобретения передающий преобразователь 114 является удлиненным передающим проводником, который проходит вдоль зоны передачи энергии 102. Передающим проводником является электрический проводник подходящей длины для конкретного применения. Передающее устройство может быть многожильным или не многожильным проводом. Многожильный проводник может быть изготовлен из множества отдельно изолированных проводов, скрученных вместе. Количество жил может варьироваться от 2 до 50000, количество и сортамент жил выбираются в соответствии с конкретным применением. В одном из примеров осуществления изобретения количество отдельно изолированных проводов находится в диапазоне от 2 до 1000 отдельных жил. Применение многожильных проводников из изолированных относительно тонких проводов может снижать омические потери благодаря поверхностному эффекту.
В некоторых примерах осуществления изобретения передающий преобразователь 114 выполнен в форме первичной индуктивной обмотки. В одном из примеров осуществления изобретения передающий преобразователь 114 является контуром неэкранированного электрического проводника. В другом примере осуществления изобретения передающий. преобразователь 114 включает множество концентричных контуров электрических проводников. Множество концентричных контуров может включать контуры различных сортаментов. В одном из примеров каждый из концентричных контуров электрических проводников включает множество отдельно изолированных проводов, сплетенных вместе. В другом примере каждый из концентричных контуров электрических проводников включает одножильный электрический провод.
Далее, передающий преобразователь 114 имеет длину и положение, пригодное для обеспечения энергии в желательной или предварительно заданной зоне передачи энергии 102. Зона передачи энергии 102 занимает объем пространства, определяемый конфигурацией контура проводника. В одном из примеров контур проводника проходит от 5 метров до 100 метров внутри здания, а в другом примере проходит на несколько километров, в частности, на 5 километров, в открытой среде. Передающий преобразователь 114 имеет наибольшие размеры, такие как длина передающего проводника, или контур проводника с определенным расстоянием между противоположными секциями контура. Передающий преобразователь 114 предпочтительно является гибким, хотя он может быть изготовлен из одного или нескольких в основном жестких элементов. В приведенном примере передающий проводник или контур может размещаться внутри стены, вдоль потолка, на полу или в полу, или в любой иной несущей структуре или на ней. Передающий проводник может крепиться любым подходящим способом в здании или в открытой среде.
В одном из примеров передающий преобразователь 114 включает слюдяные конденсаторы с металлизированными серебром обкладками или конденсаторы любого другого типа. По сравнению с другими типами конденсаторов слюдяные конденсаторы с металлизированными серебром обкладками могут обеспечивать более высокую точность, повышенную стабильность и надежность, особенно при повышенных частотах. Кроме того, слюдяные конденсаторы с металлизированными серебром обкладками могут способствовать достижению более низких омических и индуктивных потерь с показателем добротности выше 1000.
Как описано выше, передающий преобразователь 114 может быть антенной в форме токонесущего проводника, который создает магнитное поле, когда ток сигнала передачи протекает по длине проводника.
Магнитное поле характеризуется переменным по времени магнитным потоком, который определяет зону передачи энергии 102, имеющую напряженность магнитного поля, достаточную для передачи энергии на беспроводное энергопринимающее устройство 108. Кроме того, в примерах осуществления изобретения, в которых передающий преобразователь является контуром проводника, конфигурация контура определяет конфигурацию зоны передачи энергии 102. Как упоминалось выше, зона передачи энергии 102 может определяться как пространство, в котором имеется магнитное поле, где может быть реализована беспроводная передача энергии посредством устройства беспроводной передачи энергии 106 и беспроводного энергопринимающего устройства 108. Беспроводная передача энергии может быть реализована, когда магнитное поле имеет достаточную напряженность для беспроводного энергопринимающего устройства 108, чтобы получить пригодное для использования количество энергии.
В одном из примеров осуществления изобретения беспроводное энергопринимающее устройство 108 выполнено с возможностью внутреннего соединения с нагрузкой 110, чтобы энергопринимающее устройство 108 и нагрузка 110 были частями общего устройства. В другом примере беспроводное энергопринимающее устройство выполнено с возможностью внешнего соединения с нагрузкой 110. Нагрузка 110 может быть электрической нагрузкой устройства пользователя, такой как батарейка, которую необходимо заряжать, и/или рабочая электрическая цепь. Таким образом, беспроводное энергопринимающее устройство 108 может размещаться в корпусе отдельно от нагрузочного устройства или может быть частью нагрузочного устройства. Когда оно располагается отдельно, беспроводное энергопринимающее устройство 108 оно может включать крышку, соответствующую форме крышки устройства, связанного с нагрузкой 110.
Беспроводное энергопринимающее устройство 108 включает принимающий преобразователь 116. Принимающий преобразователь 116 может быть приемной антенной, такой как вторичный виток, образующий вторичную обмотку индуктивности. Виток может иметь предварительно заданную длину, соответствующую обеспечению необходимого уровня индуктивности. Принимающий преобразователь 116 может иметь размеры сопоставимые с размерами передающего преобразователя 114 или меньшие. Кроме того, длина принимающего преобразователя 116 в виде витка может быть меньше, чем длина передающего преобразователя 114 в форме контура проводника или удлиненного передающего проводника. В примере осуществления изобретения принимающий преобразователь 116 имеет максимальные размеры в пределах от 1 до 0,00001 максимального размера передающего преобразователя 114. В другом примере принимающий преобразователь 116 имеет максимальные размеры в пределах от 0,1 до 0,00001 максимального размера передающего преобразователя 114, когда передающий преобразователь охватывает зону во много раз больше зоны принимающего преобразователя 116.
Как далее обсуждается со ссылкой на фиг. 2, передающий преобразователь 114 и принимающий преобразователь 116 могут быть выполнены с возможностью работать в резонансном состоянии в резонансной частоте. Кроме того, передающий преобразователь 114 и принимающий преобразователь 116 могут иметь согласование полного сопротивления. Согласование полного сопротивления может способствовать передаче энергии от устройства беспроводной передачи энергии на беспроводное энергопринимающее устройство 108.
В одном из примеров осуществления изобретения устройство беспроводной передачи энергии 106 выполнено с возможностью непрерывно передавать коммуникационный сигнал передающего устройства, чтобы определить наличие беспроводное энергопринимающего устройства 108 в зоне передачи энергии 102. В другом примере беспроводное энергопринимающее устройство 108 может передавать коммуникационный сигнал принимающего устройства на устройство беспроводной передачи энергии 202 в ответ на получение коммуникационного сигнала передающего устройства.
Дополнительно или в альтернативном варианте, беспроводное энергопринимающее устройство 108 может определять магнитное поле, генерируемое передающим преобразователем 114. В некоторых примерах осуществления изобретения генератор сигналов 112 автоматически инициирует генерирование сигнала передачи в ответ на определение наличия одного или нескольких энергопринимающих устройств 108 в зоне передачи энергии 102. В ответ на определение наличия беспроводного энергопринимающего устройства 108 в магнитном поле зоны передачи энергии 102 генератор сигналов 112 может обеспечивать повышение мощности сигнала передачи в соответствии с мощностью нагрузки 110, связанной с энергопринимающим устройством 108.
Соответственно, принимающий преобразователь 116 получает переменный по времени магнитный поток магнитного поля, передаваемого от передающего преобразователя 114, когда принимающий преобразователь 116 находится в области передачи энергии 102. Принимающий преобразователь 116 преобразует переменный по времени магнитный поток во второй электрический сигнал, имеющий частоту сигнала передачи по меньшей мере 500 Гц.
Принимающий преобразователь 116 электрически соединяется с процессором электроэнергии 118. Кроме того, процессор электроэнергии 118 выполнен с возможностью электрического соединения с нагрузкой 110.
Процессор электроэнергии конвертирует второй электрический сигнал в третий электрический сигнал, пригодный для соответствующих одной или нескольких нагрузок 110. Более конкретно, процессор электроэнергии 118 конвертирует уровень напряжения второго электрического сигнала в предварительно заданный уровень напряжения третьего электрического сигнала, пригодного для нагрузки. Необходимое изменение уровня напряжения можно обеспечивать трансформатором (как показано на фиг. 2). Кроме того, второй электрический сигнал конвертируется беспроводным энергопринимающим устройством 108 в третий электрический сигнал на основе определения или в ответ на определение магнитного поля, генерируемого передающим преобразователем 114.
Беспроводное энергопринимающее устройство 108 определяет наличие магнитного поля, и процессор электроэнергии 118 может быть выполнен с возможностью автоматического инициирования конвертирования второго электрического сигнал в третий электрический сигнал. Например, беспроводное энергопринимающее устройство может определять наличие магнитного поля, когда принимающий преобразователь 116 генерирует обнаруживаемое значение или пороговое значение электродвижущей силы.
Можно отметить, что на фиг. 1 система беспроводной передачи энергии 100 обеспечивает передачу энергии на единственное устройство, имеющее беспроводное энергопринимающее устройство 108 и принимающий преобразователь 116; однако, специалисты в данной области техники оценят, что устройство передачи 106 может одновременно обеспечивать энергией множество энергопринимающих устройств 108.
Фиг. 2 иллюстрирует различные компоненты следующего примера системы беспроводной передачи энергии, обозначенной позицией 200. Система беспроводной передачи энергии 200 является примером системы беспроводной передачи энергии 100. Система беспроводной передачи энергии 200 включает устройство передачи 201 и беспроводное энергопринимающее устройство 203. Устройство передачи 201 включает устройство беспроводной передачи энергии 202 и передающий преобразователь 205. Передающий преобразователь 205 может быть антенной, такой как передающий электрический проводник, выполненный с возможностью генерировать магнитное поле во время прохождения сигнала передачи по длине проводника, как описано со ссылкой на фиг. 1. Передающий проводник может быть выполнен в виде индуктивного контура или индуктивной обмотки.
Устройство беспроводной передачи энергии 202 включает генератор сигналов 207 и цепь связи 210. Часть или несколько частей устройства беспроводной передачи энергии 202 могут находиться в пределах зоны передачи энергии 209, или никакие части устройства беспроводной передачи энергии 202 не находятся в пределах зоны передачи энергии.
Генератор сигналов 207 электрически соединен с передающим преобразователем 205 и выполнен с возможностью соединения с источником питания 104. Источник питания 104 подает первый электрический сигнал на генератор сигналов 207. Источник питания 104 использует первый электрический сигнал, чтобы генерировать сигнал передачи. Соответственно, генератор сигналов 207 подает сигнал передачи на передающий преобразователь 205. Сигнал передачи передается с частотой передачи по меньшей мере 500 Гц (как объяснялось выше со ссылкой на генератор сигналов 112, изображенный на фиг. 1).
Генератор сигналов 207 включает блок управления 204. Блок управления 204 в процессе работы связан со схемами генерирования сигналов передачи в генераторе сигналов 207. Блок управления 204 управляет одной или несколькими операциями схем генерирования сигналов передачи генератора сигналов 207 в процессе генерирования сигналов передачи. Блок управления 204, как устройство адаптивного управления, выполнено с возможностью управлять одним или несколькими параметрами сигнала передачи, такими как передаваемая частота и/или уровень мощности. Блок управления 204 может контролировать передаваемую частоту и уровень мощности сигнала передачи, передаваемого генератором сигналов 207. В одном из примеров осуществления изобретения блок управления 204 контролирует и изменяет передаваемую частоту и/или уровень мощности сигнала передачи.
Беспроводное энергопринимающее устройство 203 включает принимающий преобразователь 211, цепь связи 212 и процессор электроэнергии 213. В примере осуществления изобретения принимающий преобразователь 211 принимает энергию в зоне передачи энергии 209 на уровне мощности, зависящей от расстояния принимающего преобразователя 211 от передающего преобразователя 205 и от напряженности магнитного поля. Более конкретно, уровень мощности, генерируемой принимающим преобразователем 211, обратно пропорционален квадрату расстояния принимающего преобразователя 211 от передающего преобразователя 205. В отличие от этого в устройствах беспроводной передачи энергии с передающими преобразователями малого размера по сравнению с принимающими преобразователями уровень мощности принимающего преобразователя обратно пропорционален шестой степени расстояния принимающего преобразователя от передающего преобразователя.
Как упоминалось выше, блок управления 204 генерирует управляющий сигнал для изменения одного или нескольких параметров сигнала передачи. Блок управления 204 может быть электрически соединен с цепью связи 210. Цепь связи 210 может получать информацию принимающего устройства от цепи связи 212, включенной в беспроводное энергопринимающее устройство 203. Блок управления 204 может получать информацию принимающего устройства от цепи связи 210 и в ответ на получение информации принимающего устройства генерировать управляющий сигнал для регулирования одного или нескольких параметров сигнала передачи, таких как уровень частоты или напряжения.
Процессор электроэнергии 213 может быть выполнен с возможностью обмениваться информацией принимающего устройства с цепью связи 212 относительно необходимой мощности и/или частоты для эффективного приема энергии на принимающем преобразователе 211. Передаваемая процессором электроэнергии 213 информация является информацией принимающего устройства, которую цепь связи 212 принимающего устройства передает на цепь связи 210 передающего устройства.
Генератор сигналов 207 может быть выполнен с возможностью генерировать сигнал передачи в ответ на информацию принимающего устройства, получаемую от каждого беспроводного энергопринимающего устройства 203 в зоне передачи энергии 209.
В некоторых примерах осуществления изобретения цепь связи 210 передающего устройства передает информацию передающего устройства в цепь связи 212 принимающего устройства беспроводного энергопринимающего устройства 203. В одном из примеров информация передающего устройства может включать данные о количестве энергии, имеющейся для передачи на одно или несколько беспроводных энергопринимающих устройств, или данные о частоте сигнала передачи. Соответственно, процессор электроэнергии 213 может быть выполнен с возможностью управлять работой процессора электроэнергии 213 в ответ на получаемую информацию передающего устройства.
В одном из примеров связь между цепью связи 210 передающего устройства и цепью связи 212 принимающего устройства может осуществляться с посредством технологии связи, соответствующей расстоянию между цепью связи 210 и областью возможного расположения цепи связи 212 принимающего устройства в зоне передачи энергии 209. Примеры потенциально приемлемых технологий связи включают технологию беспроводной связи Bluetooth, стандарт связи и взаимодействия совместимых устройств Zigbee, беспроводную локальную сеть (WLAN), технологию беспроводного доступа Wi-Fi, или любую другую технологию связи, пригодную для обмена информацией на необходимом расстоянии.
В одном из примеров информация принимающего устройства может включать информацию относительно уровня имеющегося заряда в нагрузке 219, связанной с беспроводным энергопринимающим устройством 203, или уровня мощности, требуемой для нагрузки 219, и/или частоты, на которую настроен процессор электроэнергии 213 для получения энергии с помощью принимающего преобразователя 211. Блок управления 104 использует такую информацию принимающего устройства для контроля количества энергии, передаваемой на беспроводное энергопринимающее устройство 203, или частоты сигнала передачи.
В одном из примеров блок управления 204 может включать микроконтроллер или специализированную интегральную микросхему для обработки информации принимающего устройства, получаемой от беспроводного энергопринимающего устройства 203. В одном из примеров процессор электроэнергии 213 может включать микроконтроллер для обработки информации о получении энергии, поступающей от устройства беспроводной передачи энергии 202.
Устройство передачи 201 может быть выполнено с возможностью включения резонансного контура 206. Резонансный контур 206 может включать комбинацию реактивного сопротивления 208 и передающего преобразователя 205. Реактивное сопротивление 208 включает один или несколько конденсаторов и может включать один или несколько индукторов. В данном примере реактивное сопротивление 208 является частью генератора сигналов 207, а передающий преобразователь 205 является частью устройства передачи 201. Резонансный контур 206 имеет резонансную частоту, которая является передаваемой частотой сигнала передачи. Реактивное сопротивление 208 может быть регулируемым, чтобы изменять резонансную частоту. Например, емкость конденсатора или индуктивность индуктора реактивного сопротивления 208 могут быть регулируемыми, чтобы изменять резонансную частоту.
В некоторых примерах осуществления изобретения беспроводное энергопринимающее устройство 203 также включает резонансный контур 214. Резонансный контур 214 включает реактивное сопротивление 216 в процессоре электроэнергии 213 и принимающем преобразователе 211. Реактивное сопротивление 216 может включать конденсатор переменной емкости и/или катушку переменной индуктивности. Реактивное сопротивление резонансного контура 214 может быть регулируемым, например, с помощью контура настройки индуктивности или конденсатора переменной емкости резонансного контура 214. Реактивное сопротивление резонансного контура 214 может быть управляемым, чтобы изменять резонансную частоту резонансного контура 214 для согласования с передаваемой частотой на основе информации, получаемой от цепи связи 210.
В некоторых примерах осуществления изобретения процессор электроэнергии 213 включает суперконденсатор 218. Суперконденсатор 218 может быстро аккумулировать электрический заряд, получаемый из магнитного поля в зоне передачи энергии 209. Аккумулированный суперконденсатором 218 заряд может затем использоваться для обеспечения электроэнергией нагрузки 219 устройства, связанного с беспроводным энергопринимающим устройством 203, и/или для зарядки батареи 221 нагрузки 219. Такая зарядка или работа может происходить после того, как беспроводное энергопринимающее устройство 203 покинет зону передачи энергии 209. В приведенном примере суперконденсатор 218 может быть частью беспроводного энергопринимающего устройства 203, установленного на дроне. Суперконденсатор 218 может аккумулировать электрическую энергию, получаемую принимающим преобразователем 116 беспроводного энергопринимающего устройства 108, когда дрон пролетает через зону передачи энергии 209. Суперконденсатор 218 может затем заряжать батарею 221 дрона, когда дрон выходит из зоны передачи энергии 209.
В одном из следующих примеров проводник передающего устройства может быть в форме системы проводов, которая может поддерживаться в воздухе на некотором расстоянии от земли или на надземном сооружении, чтобы служить энергетическим каналом для рабочих устройств, таких как дроны или другие летательные аппараты. Проводник передающего устройства может иметь длину несколько километров, формируя линию энергоснабжения для дронов. Дроны могут летать вдоль линии энергоснабжения и заряжаться без посадки на землю или другую поверхность. Энергетический канал может применяться для обеспечения электропитанием дронов, которые используются для подъема тяжелых грузов, например, весом 10-20 кг. Система проводов может формировать трубообразную зону передачи энергии 209 вокруг и вдоль электрических проводов. При соответствующей мощности, прилагаемой к сигналу передачи, беспроводное энергопринимающее устройство 203 способно получать энергию на расстоянии 10-20 метров от проводника передающего устройства. Дроны способны работать или перемещаться в пределах этой увеличенной зоны передачи энергии 209 в течение неопределенного периода времени. Устройство передачи 201 может обеспечивать беспроводный источник энергии большой мощности, способный передавать несколько киловатт энергии на каждый дрон.
В некоторых примерах осуществления изобретения процессор электроэнергии 213 включает трансформатор 220. Трансформатор 220 подключается электрически между принимающим преобразователем 211 и нагрузкой 219. Трансформатор 220 может конвертировать уровень напряжения второго электрического сигнала в предварительно заданный уровень напряжения третьего электрического сигнала, прилагаемого к нагрузке 219. Другие схемы или компоненты схемы могут использоваться для конвертирования уровня второго электрического сигнала в заданный уровень напряжения третьего электрического сигнала.
В одном из примеров беспроводное энергопринимающее устройство 203 электрически соединяется непосредственно с нагрузкой 219. Беспроводное энергопринимающее устройство 203 может непосредственно соединяться с нагрузкой 219 с помощью или без помощи трансформатора напряжения или токового трансформатора. В одном из примеров беспроводное энергопринимающее устройство 203 направляет избыточную энергию, полученную от устройства передачи 201, на батарею 221. Энергия, аккумулированная в батарее 221, может непосредственно прикладываться к нагрузке 219, когда уровень энергии, получаемой от устройства передачи 201, находится на низком уровне. Батарея 221 может таким образом использоваться в качестве буферной системы электропитания.
Фиг. 3 демонстрирует пример системы беспроводной передачи энергии 300, включающей устройство беспроводной передачи энергии 302 для обеспечения электропитанием дрона 304, летающего в зоне передачи энергии 306. Устройство беспроводной передачи энергии 302 получает первый электрический сигнал от источника питания 308. Устройство беспроводной передачи энергии 302 электрически соединено с источником питания 308 и передающим преобразователем 310. Передающий преобразователь 310 имеет форму индуктивного контура, положение и размеры которой определяют зону передачи энергии 306. Устройство беспроводной передачи энергии 302 генерирует и передает сигнал передачи на передающий преобразователь 310. Передающий преобразователь 310 генерирует переменное магнитное поле, представленное силовыми линиями магнитного поля 312, зоны передачи энергии 306. Магнитное поле используется для обеспечения электроэнергией дрона 304, когда дрон 304 находится в зоне передачи энергии 306. Дрон 304 включает беспроводное энергопринимающее устройство 314. Беспроводное энергопринимающее устройство 314 включает принимающий преобразователь 316 в форме электропроводящей обмотки. Силовые линии магнитного поля 312 проходят через электропроводящую обмотку. Переменное магнитное поле наводит напряжение через терминалы электропроводящей обмотки, что соответствует второму электрическому сигналу. Соответственно, второй электрический сигнал конвертируется в обмотке в третий электрический сигнал и передается на батарею дрона 302 или непосредственно на двигатель и другие энергопотребляющие элементы дрона.
Фиг. 4 демонстрирует вид в поперечном разрезе передающего проводника 400 с магнитным полем 402 вокруг проводника и беспроводное энергопринимающее устройство 404, принимающее энергию от магнитного поля 402. Передающий проводник 400 является примером передающего преобразователя 114, 205 или 310. Беспроводное энергопринимающее устройство 404 является примером беспроводного энергопринимающего устройства 108, 203 или 314. Вид в поперечном разрезе демонстрирует зону передачи энергии 405, внутри которой происходит беспроводная передача энергии. Передающий проводник 400 является электрическим проводником, электрически соединенным с устройством беспроводной передачи энергии, таким как устройство беспроводной передачи энергии 202 или 302, или с генератором сигналов 112. Передающий проводник 400 получает сигнал передачи от генератора сигналов устройства передачи энергии и генерирует переменное магнитное поле 402 вокруг передающего проводника 400.
Принимающее устройство 404 беспроводного энергопринимающего устройства электрически соединяется с нагрузкой или батареей устройства, которое потребляет электрическую энергию. В одном из примеров принимающее устройство 404 электрически соединяется с батарейкой интеллектуального телефона. Принимающее устройство 404 включает принимающую обмотку 406. Когда принимающее устройство 404 находится в зоне передачи энергии 405, силовые линии магнитного поля проходят через принимающую обмотку 406, создавая напряжение на терминалах принимающей обмотки 406. Напряжение соответствует второму электрическому сигналу. Соответственно, второй электрический сигнал конвертируется в обмотке в третий электрический сигнал и передается на батарею или другую нагрузку устройства, содержащего принимающее устройство 404.
Фиг. 5 иллюстрирует пример способа 500 для беспроводной передачи энергии на одно или более устройств. Способ 500 может осуществляться системами беспроводной передачи энергии 100, 200 или 300.
Способ 500 инициируется на этапе 502. На основе системы передачи энергии 100 на этапе 504 генератор сигналов 112 получает первый электрический сигнал от источника питания 104. На этапе 506 генератор сигналов 112 генерирует сигнал передачи переменного тока на основе первого электрического сигнала. Сигнал передачи имеет передаваемую частоту по меньшей мере 500 Гц. Генератор сигналов 112 подает сигнал передачи на передающий преобразователь 114. На этапе 508 генератор сигналов 112 генерирует магнитное поле в зоне передачи энергии 102, передавая сигнал передачи на передающий преобразователь 114. На этапе 510 принимающий преобразователь 116 каждого соответствующего одного или нескольких энергопринимающих устройств получает за счет индукции переменный по времени магнитный поток магнитного поля, передаваемый от передающего преобразователя 114. Переменный по времени магнитный поток магнитного поля принимается, когда принимающий преобразователь 116 находится в зоне передачи энергии 102. На этапе 512 принимающий преобразователь 116 конвертирует переменный по времени магнитный поток во второй электрический сигнал. Второй электрический сигнал имеет передаваемую частоту сигнала передачи. На этапе 514 процессор электроэнергии 118 конвертирует второй электрический сигнал в третий электрический сигнал, пригодный для соответствующих одной или нескольких нагрузок 110. Способ 500 завершается на этапе 516.
Фиг. 6 иллюстрирует пример системы распределенной передачи энергии 600, через которую может перемещаться летательный аппарат, такой как дрон 602. В данном примере система распределенной передачи энергии 600 включает множество участков 604А, 604В, 604С и 604D. Каждый участок соответствует системе беспроводной передачи энергии, как описано выше, и включает одну или более зон передачи энергии 606, генерируемых устройством передачи 608. Например, зоны передачи энергии 606 соответствующих участков включают зоны передачи энергии 606А, 606В, 606С и 606D. Устройство передачи 608 может генерировать одну или более взаимоувязанных зон передачи энергии 606. В данном примере устройство передачи 608А генерирует зоны передачи энергии 606А и 606 В. Устройства передачи 608В и 608С генерируют соответствующие зоны передачи энергии 606С и 606D. Дрон 602, имеющий беспроводное энергопринимающее устройство 610, может пролетать от участка к участку, например, вдоль линии полета 612. Когда дрон 602 находится в каждой зоне передачи энергии 606, дрон аккумулирует достаточно энергии для полета до следующей зоны передачи энергии. Таким образом очевидно, что участки 604 формируют беспроводную сеть электропитания 614, в которой могут перемещаться дроны. Участки могут находиться настолько далеко друг от друга, насколько далеко могут летать дроны на энергии, полученной в каждом участке.
Система беспроводной передачи энергии и ее составляющие, как описано выше, имеют много преимуществ по сравнению с существующим уровнем техники. В предпочтительных конфигурациях системы беспроводной передачи энергии обеспечивают беспроводную зарядку и обеспечение электропитанием устройств на расстоянии 10 метров или более от устройства передачи в замкнутой среде и на расстоянии 20 метров или более от устройства передачи в открытой среде. Более того, система беспроводной передачи энергии может быть выполнена с возможностью осуществлять беспроводную зарядку или обеспечение электропитанием на высоких рабочих частотах.
Исходя из вышеприведенных описаний, следует иметь в виду, что возможно много вариаций систем беспроводной передачи энергии. Следующие нумерованные параграфы описывают аспекты и признаки примеров осуществления изобретения. Каждый из этих параграфов можно объединять с другим одним или несколькими параграфами, и/или с раскрытием откуда бы то ни было в данной заявке подходящим образом. Некоторый из приведенных ниже параграфов непосредственно относятся к другим параграфам и далее ограничивают их, обеспечивая без ограничения некоторые подходящие комбинации.
Можно полагать, что представленное здесь описание охватывает многие ясно выраженные изобретения со своими практическими ценностями. В то время как каждое из этих изобретений описано в предпочтительной форме, конкретные примеры осуществления изобретений, раскрытые и проиллюстрированные здесь, нельзя считать ограничивающими, так как возможны различные варианты. Каждый пример определяет осуществление изобретения, раскрытое в вышеизложенном описании, но любой один пример осуществления изобретения не обязательно охватывает все признаки или комбинации, на которые со временем могут быть выставлены претензии. Если в описании упоминается некий элемент или "первый" элемент или их эквивалент, такое описание включает один или более таких элементов, не требуя необходимости и не исключая двух или более таких элементов. Далее, порядковые показатели, такие как первый, второй или третий, используются для идентификации элементов, чтобы отличать их друг от друга, но не указывают на необходимое или ограниченное количество таких элементов и не определяют конкретное положение или порядок таких элементов, если на данный счет нет других указаний.