Устройство беспроводной передачи энергии

Полезная модель относится к электрорадиотехнике, а более конкретно к устройствам беспроводной передачи энергии, способным заряжать одно или несколько мобильных устройств одновременно.
Известна «Беспроводная многозарядная система и способ ее управления» (патент США МПК H02J 7/00; H02J 7/02; H01F 17/00; Н02М 3/335, №8102147, дата приоритета 04.04.2009, дата публикации 24.01.2012), в которой описана система, позволяющая заряжать несколько мобильных устройств одновременно. Система беспроводной передачи энергии представляет собой стол, на поверхность которого установлено множество блоков беспроводной передачи энергии, каждый из которых включает в себя передающую катушку. При протекании переменного тока по катушке она генерируют перпендикулярное своей плоскости магнитное поле. В качестве приемника используется катушка, чувствительная к переменному магнитному полю, которая может быть встроена в различные мобильные устройства. При расположении приемной катушки над передающей катушкой происходит обнаружение положения приемника и включение соответствующей передающей катушки. К недостаткам данного решения следует отнести то, что не предусмотрено экранирование блоков беспроводной передачи энергии для подавления паразитного излучения электромагнитного поля, пагубно влияющего на биологические объекты, расположенные в непосредственной близости системы, а также то, что не допускается подзарядка приемного устройства при его произвольной ориентации.
Известна «Метаматериальная резонансная структура» (Патент РФ №RU 2490785 С1, МПК Н03Н 9/15, H02J 17/00, дата приоритета 10.01.2012, дата публикации 20.08.2013), где предложена резонансная структура, обладающая свойствами метаматериала, которая может быть использована в устройствах беспроводной передачи энергии в качестве приемника или передатчика. Резонансная структура представляет собой комбинацию расположенных друг под другом сильно связанных кольцевых резонаторов с зазором, каждый из которых зашунтирован конденсатором, при этом каждый кольцевой резонатор выполнен в виде металлической полоски на диэлектрической подложке и соединен с соседним резонатором с зазором посредством последовательно включенного конденсатора. Следует отметить, что добротность резонансной структуры невелика и составляет от 150-200.
i
i
M
i
M
М
j
M
M
M
M
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Устройство беспроводной передачи энергии» (Патент РФ №RU 187264, МПК H02J 7/00, дата приоритета 23.05.2018, опубликовано 27.02.2019), которое способно заряжать одно или несколько устройств одновременно, включающее источник энергии, соединенный через первую цепь согласования импедансов с передатчиком электромагнитной энергии, выполненным с возможностью индуктивной связи с приемником электромагнитной энергии. Передатчик электромагнитной энергии представляет собой метаматериал, состоящий из двух слоев проводников, которые, по меньшей мере, частично размещены внутри диэлектрика, где в каждом слое проводники расположены в одной плоскости параллельно друг другу на расстояниях s друг от друга, где s удовлетворяет условию 0,001⋅λ<s<0,1⋅λ, где λ - длина электромагнитной волны в метаматериале, каждый из которых характеризуется длинной l, среднее значение которой равно L, a L удовлетворяет условию 0,2⋅λ<L<0,5⋅λ, при этом расстояние между слоями проводников метаматериала равно h, где h удовлетворяет условию 0.001⋅λ<h<0.1⋅λ, а угол поворота слоев относительно друг друга β удовлетворяет условию 0°<β<90°. Блок беспроводного приема энергии содержит приемную катушку индуктивности, нагрузку и вторую цепь согласования импедансов. При протекании переменного тока по метаматериалу в составе передатчика электромагнитной энергии им генерируются перпендикулярное своей плоскости магнитное поле. Приемная катушка в блоке беспроводного приема энергии выполнена с возможностью индуктивной связи, благодаря чему переменное магнитное поле, создаваемое посредством передатчика, индуцирует зарядные токи в приемной катушке индуктивности. Недостатком вышеуказанного решения является необходимость заполнения объема метаматериала между проводниками диэлектриком с высоким значением диэлектрической проницаемости с целью миниатюризации блока беспроводной передачи энергии, и низким значением диэлектрических потерь с целью минимизации вносимых потерь. В литературе известно несколько жидких диэлектриков, которые соответствуют данным требованиям, в частности дионизованная вода. Однако любое нарушение герметичности или взаимодействие с металлическими проводниками может приводить к ионизации объема воды, и, как следствие, увеличению диэлектрических потерь, что снижает добротность блока беспроводной передачи и эффективность передачи энергии. К недостаткам следует также отнести отсутствие стандартной массовой технологии изготовление данного решения, что приводит к использованию дорогостоящих технологических процедур, увеличивая себестоимость системы беспроводной передачи энергии.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является снижение стоимости изготовления с использованием технологии массового производства и повышение эффективности передачи энергии от блока беспроводной передачи энергии к блокам беспроводного приема энергии.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в использовании стандартной технологии и простоты изготовления.
i
i
M
i
M
M
0
Повышение эффективности передачи энергии от блока беспроводной передачи энергии к блокам беспроводного приема энергии достигается за счет формирования равномерного магнитного поля с высокой интенсивностью на поверхности блока беспроводной передачи энергии. Указанный технический результат достигается тем, что передатчик электромагнитной энергии в составе блока беспроводной передачи энергии представляет собой метаматериал, состоящий из одного слоя проводников длиной L, расположенных в одной плоскости параллельно друг другу на расстоянии s друг от друга, где s удовлетворяет условию 0,001⋅λ<s<0,l⋅λ, где λ - длина электромагнитной волны в метаматериале, замкнутых друг на друга по краям с помощью емкостных элементов, при этом длина проводников L определяется по формуле:  где  - параметр, характеризующий емкость конденсатора С, ω - круговая частота, Z - волновое сопротивление проводников линии.
Сущность поясняется фигурами, где:
на фиг. 1- структурная схема устройства беспроводной передачи энергии;
на фиг.  2 - эквивалентная схема передатчика электромагнитной энергии;
на фиг. 3 - один из вариантов конкретного выполнения передатчика электромагнитной энергии (вид сверху);
на фиг. 4 - один из вариантов конкретного выполнения передатчика электромагнитной энергии (вид сбоку);
на фиг. 5 - частотные зависимости коэффициента отражения предлагаемого передатчика электромагнитной энергии, полученные в результате электродинамического моделирования (левая) и экспериментального исследования (правая);
на фиг. 6 - картины распределения ближнего магнитного поля предлагаемого передатчика электромагнитной энергии, полученные в результате численного моделирования (левая) и экспериментального исследования (правая).
Устройство беспроводной передачи энергии (фиг. 1) содержит источник энергии 1, соединенный последовательно с первой цепью согласования импедансов 2 и передатчиком электромагнитной энергии 3. Принимающее устройство состоит из приемника электромагнитной энергии 4, цепи согласования импедансов 5 и нагрузки 6. Канал беспроводной передачи энергии осуществляется между передатчиком 3 и приемником 4 электромагнитной энергии посредством ближнего магнитного поля.
i
Передатчик электромагнитной энергии 3 представляет собой метаматериал (фиг. 2), состоящий из одного слоя проводников 7 длиной L, расположенных в одной плоскости параллельно друг другу на расстоянии s друг от друга, замкнутых друг на друга по краям с помощью емкостных элементов С 8. Для подачи энергии от источника энергии 1 к передатчику электромагнитной энергии 3 один из проводников метаматериала соединен с источником 1 через первичную цепь согласования импедансов 2. При этом в качестве источника энергии 1 может использоваться любой известный генератор переменного тока. Первая цепь согласования импедансов 2 может быть реализована в виде набора переключаемых катушек индуктивностей и конденсаторов. Передатчик электромагнитной энергии 3 выполнен с возможностью индуктивной связи с приемником электромагнитной энергии 4. В качестве приемника электромагнитной энергии 4 может использоваться проволочная катушка. Вторая цепь согласования импедансов 5 может быть реализована в виде набора переключаемых катушек индуктивностей и конденсаторов. Нагрузка 6 может быть представлена любым мобильным устройством.
Устройство беспроводной передачи энергии работает следующим образом.
Источник энергии 1 генерирует переменный электрический ток частотой ƒ, который поступает на разрыв крайнего проводника метаматериала через первую цепь согласования импедансов 2. Ток, протекая по крайнему проводнику 7 метаматериала, возбуждает собственную моду метаматериала. При резонансном возбуждении собственной моды метаматериала на его поверхности создается ближнее магнитное поле направленное перпендикулярно плоскости метаматериала, которое обладает однородной фазой и имеет однородный профиль амплитуды в активной области передачи энергии (фиг. 6). Данное распределение магнитного поля обусловлено определенным направлением токов в проводниках 7, которые можно интерпретировать как эквивалентные рамки с токами, полученные благодаря емкостным нагрузкам 8. При помещении приемника электромагнитной энергии 4 (на фигуре не показан) в активную область зарядки магнитное поле передатчика электромагнитной энергии 3 наводит индукционный ток в приемнике электромагнитной энергии (на фигуре не показан). При этом первая цепь согласования импедансов 2 обеспечивает согласование выходного импеданса источника энергии 1 и входного импеданса передатчика электромагнитной энергии 3, а вторая цепь согласования 5 (на фигуре не показана) обеспечивает согласование входного импеданса приемника электромагнитной энергии 4 и входного импеданса нагрузки 6. При помещении в активную область передачи энергии нескольких приемников электромагнитной энергии (на фигуре не показаны) устройство работает тем же образом.
i
0
i
i
M
M
0
i
Периодическая структура метаматериала представляет собой, таким образом, резонатор, работающий на частоте первой собственной моды, который состоит из множества проводников 7, параллельных друг другу, одинаковой длины L и упорядоченных друг от друга с расстоянием s. Каждая пара проводников образует длинную линию, импеданс Z которой определяется расстоянием s расстоянием между проводниками (фиг. 2). Первая рабочая собственная мода формируется электрическими токами, текущими по множеству длинных линий. Значение резонансной частоты первой моды определяются длиной проводников L и расстоянием между ними s. Так как резонансные длины дипольных проволочных антенн сопоставимы по порядку величины с λ/2, использование метаматериала из ненагруженных резонансных проводников приводит к огромным размерам структуры, высоким потерям на излучение в дальнюю зону, низкой добротности. С целью миниатюризации элементов периодической структуры метаматериала, снижения потерь на излучение в дальнюю зону, и повышения добротности в предлагаемом техническом решении применены емкости, играющие роль оконечных нагрузок длинных линий. Каждый проводник соединен с соседним проводником с помощью емкости. При этом резонансная длина проводника теперь выражается формулой  где λ - длина волны радиочастотного сигнала в метаматериале,  - параметр, характеризующий емкость конденсатора С, ω - круговая частота, Z - волновое сопротивление длинной линий, которое может быть оценено по формуле  где w - ширина проводника, s - расстояние между центрами проводников, ε - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции между проводниками.
i
M
i
M
Для снижения стоимости изготовления данное техническое решение может быть изготовлено с использованием технологии массового производства печатных плат. Пример реализации передатчика электромагнитной энергии представлен на фиг. 3 (вид сверху) и фиг. 4 (вид сбоку). В этом случае проводники 7 выполнены в виде металлических дорожек шириной w, расположенных на печатной плате 9, толщиной h. Емкости С 8 выполнены в виде элементов навесного монтажа. Проводники в составе метаматериала размещены периодически с расстоянием s, которое удовлетворяет условию 0,001*λ<s<0,1*λ. Это позволяет оптимизировать профиль распределения амплитуды ближнего магнитного поля в активной области передачи энергии, и в конечном итоге добиться равномерного распределения амплитуды магнитного поля. Это обусловливает передачу энергии приемным устройствам с одинаковой эффективностью независимо от их расположения в активной области передачи энергии.
M
M
изд
дисс
Длине волны в метаматериале λ при отсутствии емкостных нагрузок соответствует рабочая частота ƒ=с/λ, где с - скорость света в вакууме. Применение оконечных емкостных нагрузок длинных линий метаматериала позволяет повысить добротность за счет уменьшения потерь на излучение в дальнюю зону согласно формуле  где R - сопротивление излучения, S - площадь метаматериала, R - сопротивление диссипативных потерь.
Совокупность вышеприведенных признаков позволяет создать передатчик электромагнитной энергии на основе метаматериала с равномерным распределением магнитного поля в активной области передачи энергии (фиг. 6), который может быть реализован с помощью стандартной технологии.
Таким образом, заявляемое устройство беспроводной передачи энергии позволяет снизить стоимость изготовления устройства беспроводной передачи энергии благодаря использованию технологии массового производства и повысить эффективности передачи энергии от блока беспроводной передачи энергии к блокам беспроводного приема энергии за счет формирования равномерного магнитного поля с высокой интенсивностью на поверхности блока беспроводной передачи энергии.