ПЛАНАРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ С ПРОИЗВОЛЬНЫМ НАПРАВЛЕНИЕМ
PLANAR DEVICE FOR GENERATING MAGNETIC FIELD WITH ARBITRARY DIRECTION

Заявляемое изобретение относится к электрорадиотехнике, а более конкретно - к устройствам для генерации магнитного поля с контролируемым направлением в заранее заданной области пространства, и может быть использовано, в частности, в системах беспроводной передачи энергии.
Технология беспроводной передачи энергии (БПЭ) широко используется в системах подзарядки различных мобильных устройств, таких как телефоны, фото- и видеокамеры, аудиоплееры, электробритвы, фонари и другие устройства. Примеры практического решения проблемы беспроводной передачи энергии можно найти в патентах [1-3].
Кроме того, системы беспроводной передачи энергии широко используются для питания имплантируемых устройств в биомедицинских приложениях [4-7]. Одной из специфических проблем в биомедицинских приложениях БПЭ является ситуация с произвольной ориентацией приемной части относительно передающей части. Например, такая ситуация возникает при беспроводном питании эндоскопической капсулы [8]. В случаях, когда передающая и приемная части представляют собой планарные индукторы, это может привести к отсутствию связи между передающей и приемной частями и отсутствию передачи энергии.
Одно из возможных решений указанной проблемы описано в [8], где для приема используют три ортогональные катушки, намотанные на одном ферритовом сердечнике. Такой подход позволяет принимать энергию из переменного магнитного поля с произвольным направлением. Главным недостатком данного подхода является увеличение размеров и веса приемной части, что не всегда приемлемо.
Другим возможным решением указанной проблемы является использование нескольких индукторов в передающей части, которые генерируют магнитное поле в ортогональных направлениях. Изменение отношения амплитуд токов в указанных индукторах позволяет менять направление магнитного поля вблизи приемной части. Таким образом, появляется возможность поддерживать связь между передающей и приемной частями при изменении ориентации приемной части.
Пример такого решения описан в [9], где используются три индуктора, генерирующих магнитное поле параллельно каждой из трех осей декартовой системы координат. Эти индукторы используют для беспроводного питания произвольно ориентированной эндоскопической капсулы внутри человеческого тела. Основным недостатком такого решения является большой размер системы индукторов: они располагаются с каждой стороны человеческого тела, и, более того, витки одного из индукторов опоясывают человеческое тело. Такая громоздкая структура системы индукторов может доставлять неудобство пользователю.
Другая структура, которая наиболее близка к заявляемому изобретению и выбрана в качестве прототипа, описана в [10]. Эта структура представляет собой комбинацию круглого планарного индуктора и двух индукторов, намотанных вокруг крестообразного планарного сердечника из магнитного материала. Данная структура также может быть использована для генерации магнитного поля с произвольным направлением за счет изменения амплитуд токов в индукторах. Достоинством этой структуры является планарная геометрия. Основным недостатком такого решения является наличие сердечника из магнитного материала. При достаточно высоких рабочих частотах (>10 МГц) это приводит к неразрешимым проблемам, связанным с отсутствием подходящего магнитного материала с достаточно низкими потерями. Кроме того, наличие магнитного материала может существенно увеличить стоимость системы БПЭ. Еще один недостаток также связан с магнитным материалом: при использовании керамического материала возникнут технологические сложности при изготовлении сердечника большого размера.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение и удешевление конструкции устройства для генерации магнитного поля за счет сочетания планарной геометрии и отказа от применения магнитных материалов в устройстве при формировании магнитного поля с произвольным направлением в заранее заданной области пространства.
В общем случае заявляемое изобретенное касается устройства для генерации магнитного поля, причем такое устройство состоит из трех компланарных индукторов, образующих планарную структуру, и блока управления величиной токов в индукторах, при этом такое устройство отличается тем, что индукторы имеют такую геометрию и расположены таким образом, что векторы генерируемого ими магнитного поля образуют полный трехмерный базис в заданной области пространства, расположенной вблизи структуры на расстоянии, не превышающем ее максимального геометрического размера.
Иными словами, заявляемое устройство включает в себя три компланарных индуктора, расположенных в пространстве так, что расстояния между плоскостями индукторов много меньше их максимальных геометрических размеров. Таким образом, указанные индукторы образуют планарное устройство.
Технический результат в заявленном изобретении достигается за счет того, что векторы магнитного поля, генерируемого каждым из трех индукторов в указанной области пространства, образуют полный базис в трехмерном пространстве. Это означает, что линейная комбинация этих векторов позволяет формировать магнитное поле с произвольным направлением и произвольной величиной. Величина магнитного поля, генерируемого каждым из индукторов, пропорциональна току в соответствующем индукторе. Таким образом, магнитное поле с произвольной величиной и направлением может быть сгенерировано в заранее заданной области пространства путем изменения величин токов в индукторах.
В частных случаях вышеуказанный базис может быть ортогональным. Это означает, что векторы магнитного поля, генерируемого каждым из индукторов, взаимно перпендикулярны в заранее заданной области пространства.
В других частных случаях форма и расположение индукторов может быть выбрана так, что каждая пара из трех индукторов будет иметь нулевую взаимную индуктивность. В этих случаях переменный ток в каждом из трех индукторов не будет наводить напряжение в двух других индукторах, что может быть полезно для контроля амплитуд токов в индукторах.
В других частных случаях переменные токи в индукторах могут иметь разность фаз, так что генерируемое магнитное поле будет иметь нелинейную поляризацию.
Устройство обладает планарной геометрией, а указанная область пространства располагается вблизи устройства на расстоянии, не превышающем максимальный геометрический размер устройства.
Для лучшего понимания заявляемого изобретения далее приводится его подробное описание со ссылками на соответствующие графические материалы.
На Фиг.1 изображены три индуктора (один в форме рамки и два в форме восьмерки) и способ интеграции их в единую структуру.
На Фиг.2 изображена планарная структура из трех взаимно несвязанных индукторов (одного в форме рамки и двух в форме восьмерки).
На Фиг.3 изображен базис векторов магнитного поля в точке, расположенной над плоскостью структуры из Фиг.2, генерируемых каждым из трех индукторов в структуре при одинаковых токах в индукторах.
На Фиг.4 схематически изображены три индуктора, имеющих форму секторов кольца, и способ интеграции их в единую структуру.
На Фиг.5 изображена планарная структура из трех взаимно несвязанных индукторов, имеющих форму секторов кольца.
На Фиг.6 изображен базис векторов магнитного поля в точке, расположенной над плоскостью структуры из Фиг.5, генерируемых каждым из трех индукторов в структуре при одинаковых токах в индукторах.
Ниже описываются примеры предпочтительной реализации заявляемого устройства.
В первом примере устройство состоит из трех индукторов, один из которых имеет форму рамки, а другие два имеют форму восьмерок и повернуты на 90° один относительно другого (Фиг.1). Индукторы объединены в единую планарную структуру, изображенную на Фиг.2. Рассмотрим точку, расположенную над плоскостью структуры, изображенной на Фиг.2 над геометрическим центром структуры. Индуктор, имеющий форму рамки, генерирует в указанной точке магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости индуктора. Индукторы, имеющие форму восьмерки, генерируют в данной точке магнитное поле, параллельное плоскости структуры. Благодаря вышеуказанному взаимному расположению индукторов, имеющих форму восьмерки, векторы магнитного поля, генерируемого ими в указанной точке, перпендикулярны друг другу. Таким образом, векторы магнитного поля, генерируемые тремя индукторами, формируют в указанной точке полный базис в трехмерном пространстве (Фиг.3). Дополнительно следует отметить, что индукторы в описанной структуре являются взаимно несвязанными. Это означает, что переменный ток в каждом из индукторов не наводит напряжения в двух других индукторах. Это существенно упрощает процесс генерации магнитного поля и управление токами в индукторах.
Во втором примере устройство состоит из трех одинаковых индукторов, имеющих форму секторов кольца (Фиг.4). Индукторы объединены в единую планарную структуру, имеющую форму кольца, изображенную на Фиг.5, где они повернуты на 120° один относительно другого вокруг геометрического центра структуры. Рассмотрим точку, расположенную над плоскостью структуры, изображенной на Фиг.5 над геометрическим центром структуры. Векторы магнитного поля, генерируемого каждым из индукторов в указанной точке, образуют полный базис в трехмерном пространстве. Расстояние между рассматриваемой точкой и плоскостью структуры всегда может быть выбрано таким, что указанный базис будет ортогональным (Фиг.6). Индукторы в структуре могут частично перекрываться, причем площадь перекрытия всегда может быть выбрана такой, что все три индуктора будут иметь нулевую взаимную индуктивность.
Заявляемое изобретение может быть использовано для генерации магнитного поля с управляемым направлением в биомедицинских и других системах БПЭ с произвольно ориентированной приемной частью.
Источники информации
1. Патент РФ №2481689, Корпорация Самсунг Электронике, Лтд.
2. Патент РФ №2481704, Корпорация Самсунг Электронике, Лтд.
3. Патент РФ №2481705, Корпорация Самсунг Электронике, Лтд.
4. Ramrakhyani А.К., Mirabbasi S., Chiao M. Design and Optimization of Resonance-Based Efficient Wireless Power Delivery Systems for Biomedical Implants // IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, vol.5, no.1, 2011.
5. Harrison R. Designing Efficient Inductive Power Links for Implantable Devices // ISC AS 2007: Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and Systems, New Orleans, USA, 27-30 May 2007, p.2080-2083.
6. Jow U.M., Ghovanloo M. Design and Optimization of Printed Spiral Coils for Efficient Transcutaneous Inductive Power Transmission // IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, vol.1, no.3, 2007.
7. Catrysse M., Hermans В., Puers R. An inductive power system with integrated bi-directional data-transmission // Sensors and Actuatuators A - Physics, vol.115, 2004.
8. Carta R., Tortora G., Thone J., Lenaerts В., Valdastri P., Menciassi A., Dario P. Wireless powering for a self-propelled and steerable endoscopic capsule for stomach inspection // Biosensors & bioelectronics, vol.25, 2009.
9. Патентная заявка США №2011/0046438.
10. Патентная заявка США №2010/0141042.