СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСПРОВОДНОЙ ЗАРЯДКИ НАКОПИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НЕПОДВИЖНОГО ИЛИ МОБИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПОТРЕБИТЕЛЯ
METHOD AND DEVICE FOR WIRELESS CHARGING OF ELECTRIC ENERGY STORAGE UNIT OF FIXED OR MOBILE ELECTRIC CONSUMER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области электротехники, в частности, к способам и устройствам беспроводной передачи электрической энергии с применением резонансных полуволновых технологий между стационарными объектами, а также между стационарными питающими устройствами и мобильными агрегатами, принимающими электроэнергию.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Способы и устройства с беспроводным механизмом передачи энергии от передающего стационарного источника к стационарному или мобильному электропотребителю разделяются на сильносвязанные и слабосвязанные между собой объекты. В сильносвязанных способах и устройствах обеспечивается минимум потерь энергии. Недостатком сильносвязанных систем беспроводной передачи энергии является необходимость обеспечения точного взаимного позиционирования питающего и принимающего узлов источника и приемника энергии. Коэффициент связи в сильносвязанных системах необходимо доводить до величин, близких к 100 процентам.
В слабосвязанных способах и устройствах даже при связи менее 10% за счет резонансных свойств передающего и принимающего узлов удается достигать коэффициента полезного действия на уровне 0,8 и более при существенно меньших требованиях к позиционированию передающего и принимающего узлов между собой. И в случае слабосвязанных и в случае сильносвязанных узлов передающего и принимающего модулей может быть реализовано возбуждение электродвижущей силы, в основном, за счет переменных электрического или магнитного полей. Кроме этого системы передачи разделяют на резонансные и нерезонансные.
0
0
Известны способ и устройство для передачи электрической энергии (патент РФ №2411142 от 10.02.2011 г. Бюл. №4) на электротранспортные средства, мобильные телефоны и другие электронные приборы, предусматривающие подачу электрической энергии от резонансной системы электропитания через высоковольтный, высокочастотный преобразователь на резонансной частоте f, однопроводную линию и воздушный зазор к индивидуальным токоприемникам потребителя, при этом передачу электрической энергии осуществляют методом электроиндукции на частоте в диапазоне (0,1-1000 кГц) при напряжении на линии передачи (0,1-1000 кВ) через воздушный промежуток между двумя проводящими и экранированными с наружной стороны пластинами воздушного конденсатора, одна из которых является излучающей и присоединяется к экранированной, изолированной однопроводной линии, емкость изолированного экрана однопроводной линии компенсируют на резонансной частоте f с помощью индуктивности путем присоединения индуктивности к экрану и земле, приемная пластина принимает энергию, встроена в токоприемник потребителя и соединена через резонансный контур, выпрямитель и зарядное устройство с электрической нагрузкой.
Недостатком известного устройства является необходимость в использовании высокого потенциала (до 1000 кВ) на передающем и принимающем узлах электропередачи.
Наиболее близким вариантом решение проблемы бесконтактной передачи электроэнергии на неподвижные или мобильные приемные устройства является бесконтактный способ питания электротранспортных средств (патент РФ №2505427 от 10.07.2013. Бюл. №19). Согласно патенту на известный способ питания электротранспортного средства, включающий, подачу электрической энергии от источника тока повышенной частоты в передающую систему, расположенную в дорожном покрытии и приеме ее электрооборудованием электро транспортного средства, при этом электрическую энергию из электрической сети преобразуют по частоте и напряжению, создают резонансные колебания тока и напряжения в передающей питающей системе на собственной резонансной частоте электрической цепи электротранспортного средства. При этом электрическую энергию падают в резонансном режиме по изолированному высокочастотному фидеру в передающую обмотку. Передающая (питающая обмотка) расположена в дорожном покрытии и выполнена в виде плоской прямоугольной однослойной обмотки из изолированного провода, со смещением при намотке каждого витка на диаметр провода обмотки. В обеих частях передающей обмотки путем пропускания по ним однонаправленного переменного тока повышенной частоты создают электромагнитное поле, причем вектор плотности электромагнитной энергии ориентируют и направляют поверх передающей обмотки, приемные обмотки располагают на электротранспортном средстве и выполняют в виде спиральных катушек, размещенных по окружности резиновых колес электротранспортного средства, перемещающегося по дорожному полотну или находящегося на нем без движения. На электротранспортном средстве размещают также прямоугольную приемную обмотку, размещенную и закрепленную на электроизолированной плите, которую крепят к днищу кузова и располагают параллельно полотну дороги с воздушным зазором над обеими частями передающей обмотки. Обмотками на электротранспортном средстве принимают электромагнитную энергию и через выпрямитель подают электрическую энергию в накопитель энергии.
Недостатком известного бесконтактного способа питания электротранспортных средств является большая неравномерность потока магнитной индукции в поперечном направлении к проводникам, что ужесточает требования к точности позиционирования приемного устройства в поперечном направлении к проводникам обмотки.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа и устройства для беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя, обладающего равномерной интенсивностью магнитного потока на активной площади передающего устройства, высоким КПД передачи энергии, низким уровнем излучения.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ
Первым объектом настоящего технического решения является способ беспроводной зарядки накопителя электроэнергии, включающий:
передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику энергии с помощью (i) передающего и принимающего модулей, связанных друг с другом магниторезонансной связью, (ii) перенастраеваемого по частоте преобразователя тока для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в переменный ток повышенной частоты, и (iii) обратного преобразователя тока для преобразования электрического тока повышенной частоты в электрический ток, подходящий для обеспечения работы заряжаемого накопителя электрической энергии на принимающем модуле, при этом
магниторезонансная обмотка передающего модуля выполнена в виде плоской двухпроводной спирали с намоткой от центра к периферии,
магниторезонансная обмотка принимающего модуля выполнена в виде плоской однопроводной спирали,
выводы в центральной части двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля изолированы друг от друга и от иных электропроводящих частей передающего модуля,
выводы на периферии двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля соединены с выходными клеммами перенастраеваемого по частоте преобразователя тока,
выводы однопроводной спиральной обмотки принимающего модуля соединены с входными клеммами обратного преобразователя тока,
выходные клеммы обратного преобразователя тока соединены с входными клеммами заряжаемого накопителя электрической энергии, а
указанный способ также включает
настройку перенастраеваемого по частоте преобразователя тока с обеспечением возбуждения в магниторезонансной обмотке передающего модуля стоячих волн тока и потенциала с пучностью тока на периферии указанной обмотки, что обеспечивает возможность передачи энергии между передающим и принимающим модулями с помощью электромагнитного поля стоячей волны тока.
Другим объектом настоящего технического решения является способ беспроводной зарядки накопителя электроэнергии, включающий:
передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику энергии с помощью (i) передающего и принимающего модулей, связанных друг с другом магниторезонансной связью, (ii) перенастраеваемого по частоте преобразователя тока для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в переменный ток повышенной частоты, и (iii) обратного преобразователя тока для преобразования электрического тока повышенной частоты в электрический ток, подходящий для обеспечения работы заряжаемого накопителя электрической энергии на принимающем модуле, при этом
магниторезонансная обмотка передающего модуля и магниторезонансная обмотка принимающего модуля выполнены каждая в виде плоской двухпроводной спирали с намоткой от центра к периферии,
собственная резонансная частота двухпроводной спиральной обмотки принимающего модуля равна резонансной частоте двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля,
выводы в центральной части двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля изолированы друг от друга и от иных электропроводящих частей передающего модуля,
выводы на периферии двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля соединены с выходными клеммами перенастраеваемого по частоте преобразователя тока,
выводы в центральной части двухпроводной спиральной обмотки принимающего модуля изолированы друг от друга и от иных электропроводящих частей принимающего модуля,
выводы на периферии спиральной двухпроводной обмотки принимающего модуля соединены с входными клеммами обратного преобразователя тока,
выходные клеммы обратного преобразователя тока соединены с входными клеммами заряжаемого накопителя электроэнергии, а
указанный способ также включает
настройку перенастраеваемого по частоте преобразователя тока с обеспечением возбуждения в магниторезонансной обмотке передающего модуля стоячих волн тока и потенциала с пучностью тока на периферии указанной обмотки, что обеспечивает возможность передачи энергии между передающим и принимающим модулями с помощью электромагнитного поля стоячей волны тока.
Еще одним объектом настоящего технического решения является способ беспроводной зарядки накопителя электроэнергии, включающий:
передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику энергии с помощью (i) передающего и принимающего модулей, связанных друг с другом магниторезонансной связью, (ii) перенастраеваемого по частоте преобразователя тока для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в переменный ток повышенной частоты, и (iii) обратного преобразователя тока для преобразования электрического тока повышенной частоты в электрический ток, подходящий для обеспечения работы заряжаемого накопителя электрической энергии на принимающем модуле, при этом
магниторезонансная обмотка передающего модуля выполнена в виде плоской двухпроводной спирали с намоткой от центра к периферии,
магниторезонансная обмотка принимающего модуля выполнена в виде плоской однопроводной спирали,
выводы в центральной части двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля изолированы друг от друга и от иных электропроводящих частей передающего модуля,
выводы на периферии двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля соединены накорото друг с другом,
в плоскости двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля расположена катушка магнитной связи, выводы которой соединены с выходными клеммами перенастраеваемого по частоте преобразователя тока и которая обеспечивает возможность передачи электрической энергии с выхода перенастраеваемого по частоте преобразователя тока в двухпроводную спиральную обмотку передающего модуля,
выводы однопроводной спиральной обмотки принимающего модуля соединены с входными клеммами обратного преобразователя тока,
выходные клеммы обратного преобразователя тока соединены с входными клеммами заряжаемого накопителя электрической энергии, а
указанный способ также включает
настройку перенастраеваемого по частоте преобразователя тока с обеспечением возбуждения в магниторезонансной обмотке передающего модуля стоячих волн тока и потенциала с пучностью тока на периферии указанной обмотки, что обеспечивает возможность передачи энергии между передающим и принимающим модулями с помощью электромагнитного поля стоячей волны тока.
Возможен вариант осуществления способа беспроводной зарядки накопителя электроэнергии, согласно которому катушка магнитной связи двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля соединена с выходом перенастраеваемого по частоте преобразователя тока через электрическую емкость, так что электрическая емкость образует с катушкой связи последовательный колебательный контур, резонансная частота которого равна собственной резонансной частоте двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля.
Возможен вариант осуществления способа беспроводной зарядки накопителя электроэнергии, согласно которому выводы однопроводной спиральной обмотки принимающего модуля соединены с входными клеммами обратного преобразователя тока через электрическую емкость, так что электрическую емкость образует с однопроводной спиральной обмоткой принимающего модуля последовательный колебательный контур, резонансная частота которого равна собственной резонансной частоте двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля.
Возможен вариант осуществления способа беспроводной зарядки накопителя электроэнергии, согласно которому катушка магнитной связи выполнена из двух кольцевых полуобмоток, расположенных вдоль периферии на противоположных сторонах двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля, при этом кольцевые полуобмотки электрически соединены между собой последовательно и согласно.
Еще одним объектом настоящего технического решения является устройство для беспроводной зарядки накопителя электроэнергии, содержащее:
источник электрической энергии, соединенный с перестраиваемым по частоте преобразователем тока для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в переменный ток повышенной частоты,
передающий и принимающий модули, связанные друг с другом магниторезонансной связью,
обратный преобразователь тока для преобразования тока повышенной частоты в электрический ток, подходящий для обеспечения работы заряжаемого накопителя электрической энергии на принимающем модуле, при этом
магниторезонансная обмотка передающего модуля выполнена в виде плоской двухпроводной спирали с намоткой от центра к периферии,
магниторезонансная обмотка принимающего модуля выполнена в виде плоской однопроводной спирали,
выводы в центральной части двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля изолированы друг от друга и от иных электропроводящих частей передающего модуля,
выводы на периферии двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля соединены с выходными клеммами перенастраеваемого по частоте преобразователя тока,
выводы однопроводной спиральной обмотки принимающего модуля соединены с входными клеммами обратного преобразователя тока,
выходные клеммы обратного преобразователя тока соединены с входными клеммами заряжаемого накопителя электрической энергии, а
перенастраеваемый по частоте преобразователь тока выполнен с возможностью его настройки с обеспечением возбуждения в магниторезонансной обмотке передающего модуля стоячих волн тока и потенциала с пучностью тока на периферии указанной обмотки, что обеспечивает возможность передачи энергии между передающим и принимающим модулями с помощью электромагнитного поля стоячей волны тока.
Другим объектом настоящего технического решения является устройство для беспроводной зарядки накопителя электроэнергии, содержащее:
источник электрической энергии, соединенный с перестраиваемым по частоте преобразователем тока для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в переменный ток повышенной частоты,
передающий и принимающий модули, связанные друг с другом магниторезонансной связью,
обратный преобразователь тока для преобразования тока повышенной частоты в электрический ток, подходящий для обеспечения работы заряжаемого накопителя электрической энергии на принимающем модуле, при этом
магниторезонансная обмотка передающего модуля и магниторезонансная обмотка принимающего модуля выполнены каждая в виде плоской двухпроводной спирали с намоткой от центра к периферии,
собственная резонансная частота двухпроводной спиральной обмотки принимающего модуля равна резонансной частоте двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля,
выводы в центральной части двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля изолированы друг от друга и от иных электропроводящих частей передающего модуля,
выводы на периферии двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля соединены с выходными клеммами перенастраеваемого по частоте преобразователя тока,
выводы в центральной части двухпроводной спиральной обмотки принимающего модуля изолированы друг от друга и от иных электропроводящий частей принимающего модуля,
выводы на периферии спиральной двухпроводной обмотки принимающего модуля соединены с входными клеммами обратного преобразователя тока,
выходные клеммы обратного преобразователя тока соединены с входными клеммами заряжаемого накопителя электроэнергии, а
перенастраеваемый по частоте преобразователь тока выполнен с возможностью его настройки с обеспечением возбуждения в магниторезонансной обмотке передающего модуля стоячих волн тока и потенциала с пучностью тока на периферии указанной обмотки, что обеспечивает возможность передачи энергии между передающим и принимающим модулями с помощью электромагнитного поля стоячей волны тока.
Еще одним объектом настоящего технического решения является устройство для беспроводной зарядки накопителя электроэнергии, содержащее:
источник электрической энергии, соединенный с перестраиваемым по частоте преобразователем тока для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в переменный ток повышенной частоты,
передающий и принимающий модули, связанные друг с другом магниторезонансной связью,
обратный преобразователь тока для преобразования тока повышенной частоты в электрический ток, подходящий для обеспечения работы заряжаемого накопителя электрической энергии на принимающем модуле, при этом
магниторезонансная обмотка передающего модуля выполнена в виде плоской двухпроводной спирали с намоткой от центра к периферии,
магниторезонансная обмотка принимающего модуля выполнена в виде плоской однопроводной спирали,
выводы в центральной части двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля изолированы друг от друга и от иных электропроводящих частей передающего модуля,
выводы на периферии двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля соединены накоротко друг с другом,
в плоскости двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля расположена катушка магнитной связи, выводы которой соединены с выходными клеммами перенастраеваемого по частоте преобразователя частоты тока и которая обеспечивает возможность передачи электрической энергии с выхода перенастраеваемого по частоте преобразователя тока в двухпроводную спиральную обмотку передающего модуля, а
перенастраеваемый по частоте преобразователь тока выполнен с возможностью его настройки с обеспечением возбуждения в магниторезонансной обмотке передающего модуля стоячих волн тока и потенциала с пучностью тока на периферии указанной обмотки, что обеспечивает возможность передачи энергии между передающим и принимающим модулями с помощью электромагнитного поля стоячей волны тока.
Возможен вариант осуществления устройства для беспроводной зарядки накопителя электроэнергии, в котором катушка магнитной связи двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля соединена с выходом перенастраеваемого по частоте преобразователя тока через электрическую емкость, так что электрическая емкость образует с катушкой связи последовательный колебательный контур, резонансная частота которого равна собственной резонансной частоте двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля.
Возможен вариант осуществления устройства для беспроводной зарядки накопителя электроэнергии, в котором выводы однопроводной спиральной обмотки принимающего модуля соединены с входными клеммами обратного преобразователя тока через электрическую емкость, так что электрическая емкость образет с однопроводной плоской спиральной обмоткой принимающего модуля последовательный колебательныйй контур, резонансная частота которого равна собственной резонансной частоте двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля.
Возможен вариант осуществления устройства для беспроводной зарядки накопителя электроэнергии, в котором катушка магнитной связи выполнена из двух кольцевых полуобмоток, расположенных вдоль периферии на противоположных сторонах двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля, при этом кольцевые полуобмотки электрически соединены между собой последовательно и согласно.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребители, а именно: зарядка и подзарядка накопителя электрической энергии транспортных средств во время движения или на специальных постах беспроводной зарядки, во время нахождения мобильного электропотребителя на светофорном перекрестке, и др., зарядка и подзарядка накопителей электрической энергии мобильных телефонов, ноутбуков, планшетов в больших помещениях, зарядка и подзарядка накопителей электрической энергии квадрокоптеров, автоматизированных транспортных логистических систем перемещения грузов на крупных складах и базах, хранилищах, в условиях эксплуатации автоматических систем с нежелательным присутствием человека (склады с очень низкими рабочими температурами, склады со специальным составом атмосферной среды и др.).
Технический результат достигается тем, что способ беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя, включающий передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику энергии на электропотребителе с помощью управляемого и перестраиваемого по частоте преобразователя электрического тока из формата источника электрической энергии в формат переменного тока повышенной частоты, передающего и принимающего модулей, связанных магниторезонансной связью, преобразователь тока из формата тока повышенной частоты в формат, необходимый для штатной работы заряжаемого накопителя электрической энергии, при этом магниторезонансную обмотку передающего модуля выполняют в виде плоской спирали с двухпроводной намоткой от центра к периферии, магниторезонансную обмотку принимающего модуля выполняют в виде плоской однопроводной спирали, возбуждают в магниторезонансной обмотке передающего модуля стоячие волны тока и потенциала с пучность тока на периферии, организуют передачу энергии между передающим и принимающим модулями с помощью электромагнитного поля стоячей волны тока, для чего выводы в центральной части двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля изолируют друг от друга и от иных электропроводящих частей и узлов передающего модуля, выводы на периферии двухпроводной спиральной обмотки соединяют с выходными клеммами преобразователя повышенной и перестраиваемой частоты, при этом выводы однопроводной спиральной обмотки на принимающем модуле неподвижного или мобильного электропотребителя соединяют с входом преобразователя тока повышенной частоты в формат, необходимый для штатной работы заряжаемого накопителя электрической энергии, выходные клеммы преобразователя соединяют с клеммами накопителя электрической энергии в принимающем модуле неподвижного или мобильного электропотребителя.
В другом способе беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя магниторезонансную обмотку принимающего модуля выполняют в виде плоской двухпроводной спирали с намоткой от центра к периферии, при этом собственная резонансная частота двухпроводной обмотки принимающего модуля равна резонансной частоте плоской двухпроводной обмотки передающего модуля, при этом выводы в центральной части двухпроводной спиральной обмотки принимающего модуля изолируют друг от друга и от иных электропроводящих частей и узлов принимающего модуля, а выводы с периферии спиральной двухпроводной обмотки соединяют со входом преобразователя тока повышенной частоты в ток, необходимый для штатной работы заряжаемого накопителя электроэнергии, выходные клеммы преобразователя соединяют с входными клеммами накопителя электрической энергии на приемном модуле.
Еще в одном способе беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя периферийные выводы плоской двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля закорачивают между собой, а передачу электрической энергии с выхода преобразователя в плоскую двухпроводную спиральную обмотку передающего модуля осуществляют с помощью катушки магнитной связи, при этом катушка магнитной связи охватывает двухпроводную спиральную обмотку передающего модуля по периферии, в плоскости двухпроводной спиральной обмотки.
В другом способе беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя катушку магнитной связи плоской двухпроводной спиральной обмотки в передающем модуле соединяют с выходом преобразователя тока через электрическую емкость, образующую с катушкой связи последовательный резонансный контур, при этом собственная резонансная частота последовательного резонансного контура равна резонансной частоте плоской двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля.
В другом варианте беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя однопроводную плоскую спиральную обмотку принимающего модуля соединяют со входом преобразователя тока из формата повышенной частоты в формат, необходимый для работы накопители электрической энергии, через электрическую емкость, образующую с однопроводной плоской спиральной обмоткой принимающего модуля последовательный резонансный контур, при этом резонансная частота образованного контура равна резонансной частоте плоской двухпроводной обмотки передающего модуля.
Еще в одном варианте беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя катушку магнитной связи для передачи электрической энергии с выхода преобразователя тока в плоскую двухпроводную спиральную обмотку передающего модуля выполняют в виде даух кольцевых полуобмоток, располагаемых вдоль периферии, на противоположных сторонах плоской двухпроводной спиральной обмотки, при этом электрически кольцевые полуобмотки соединяют между собой последовательно и согласно.
Устройство беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя, содержащее источник электрической энергии, соединенный с управляемым и перестраиваемым по частоте преобразователем тока из формата источника электрической энергии в формат переменного тока повышенной частоты, передающий и принимающий модули, связанные магниторезонансной связью, преобразователь тока из формата тока повышенной частоты в формат, необходимый для штатной работы заряжаемого накопители электрической энергии, при этом магниторезонансная обмотка передающего модуля выполнена в виде плоской спирали с двухпроводной намоткой от центра к периферии, магниторезонансная обмотка принимающего модуля выполнена в виде плоской однопроводной спирали, между магниторезонансной обмоткой передающего модуля и магниторезонансной обмоткой принимающего модуля организована передача электрической энергии с помощью электромагнитного поля, при этом периферийные выводы магниторезонансной обмотки подключены к выходным клеммам преобразователя частоты тока из формата источника электрической энергии в формат тока повышенной частоты, выводы центральной части двухпроводной спиральной обмотки изолированы друг от друга и от иных электропроводящих частей и узлов передающего модуля, выводы однопроводной спиральной обмотки на принимающем модуле соединены с входными клеммами преобразователя тока повышенной частоты в формат, необходимый для штатной работы заряжаемого накопителя электрической энергии, выходные клеммы преобразователя соединены с клеммами накопителя электрической энергии в принимающем модуле неподвижного или мобильного электропотребителя.
В другом устройстве беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя магниторезонансная обмотка принимающего модуля выполнена в виде плоской двухпроводной спирали с намоткой от центра к периферии, выводы в центральной части двухпроводной спиральной обмотки принимающего модуля изолированы друг от друга и от иных электропроводящих частей и узлов принимающего модуля, выводы с периферии спиральной двухпроводной обмотки соединены с входом преобразователя тока повышенной частоты в ток, необходимый для штатной работы заряжаемого накопителя, выходные клеммы преобразователя соединены с входными клеммами накопителя электроэнергии, а собственная резонансная частота двухпроводной обмотки принимающего модуля равна резонансной частоте плоской двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля.
Еще в одном устройстве беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя периферийные выводы плоской двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля закорочены между собой, в плоскости двухпроводной спиральной обмотки расположена катушка магнитной связи плоской двухпроводной спиральной обмотки с преобразователем частоты, выводы катушки связи соединены с выходными клеммами преобразователя частоты тока из формата источника питания в формат тока повышенной частоты.
Еще в одном устройстве беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя катушка магнитной связи плоской двухпроводной спиральной обмотки в передающем модуле соединена с выходом преобразователя тока через электрическую емкость, образующую с катушкой связи последовательный колебательный контур, резонансная частота последовательного резонансного контура равна собственной резонансной частоте плоской двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля.
Еще в одном устройстве беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя выводы однопроводной плоской спиральной обмотки принимающего модуля соединены с входными клеммами преобразователя тока повышенной частоты в формат тока, необходимого для работы накопителя электрической энергии, через электрическую емкость, образующую с однопроводной плоской спиральной обмоткой последовательный резонансный контур, при этом резонансная частота последовательного резонансного контура принимающего модуля равна резонансной частоте плоской двухпроводной обмотки передающего модуля.
Еще в одном устройстве беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя катушка магнитной связи с преобразователем частоты плоской двухпроводной спиральной обмотки выполнена из двух кольцевых полуобмоток, при этом полуобмотки расположены вдоль периферии на противоположных сторонах плоской двухпроводной спиральной обмотки, при этом полуобмотки соединены между собой последовательно и согласно.
Сущность предлагаемых способов и устройств поясняется иллюстрациями на Фиг. 1-6.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлена электрическая схема способа и устройства для беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя, включающих в себя передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику энергии на электропотребителе, при этом магнитнорезонансную обмотку на передающем модуле выполняют в виде плоской спирали с двухпроводной намоткой от центра к периферии, обмотке возбуждают стоячие волны тока и потенциала, для чего выводы двухпроводной обмотки в центральной части изолируют друг от друга, а выводы на периферийной части обмотки двухпроводной обмотки подключают к выходу преобразователя частоты.
На Фиг. 2 представлена электрическая схема способа и устройства для беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя, включающих в себя передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику энергии на электропотребителе, при этом магниторезонансную спиральную обмотку на принимающем модуле выполняют в виде плоской двухпроводной спирали с намоткой от центра к периферии, при этом выводы в центральной части двухпроводной спиральной обмотки изолируют друг от друга, а выходы с периферии обмотки соединяют с преобразователем частоты тока повышенной частоты в формат, необходимый для работы накопителя электрической энергии.
На Фиг. 3 представлена электрическая схема способа и устройства для беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя, включающих в себя передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику энергии на электропотребителе, при этом периферийные выводы плоской двухпроводной спиральной обмотки передающего модуля закорачивают между собой, а передачу электрической энергии с выхода преобразователя в плоскую двухпроводную спиральную обмотку передающего модуля осуществляют с помощью катушки магнитной связи, охватывающей двухпроводную спиральную обмотку передающего модуля по периферии в плоскости обмотки.
На Фиг. 4 представлена электрическая схема способа и устройства для беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя, включающих в себя передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику энергии на электропотребителе, при этом катушку магнитной связи плоской двухпроводной спиральной обмотки в передающем модуле соединяют с выходом преобразователя тока через электрическую емкость, образующую с катушкой связи последовательный резонансный контур.
На Фиг. 5 представлена электрическая схема способа и устройства для беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя, включающих в себя передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику энергии на электропотребителе, при этом однопроводную плоскую спиральную обмотку принимающего модуля соединяют со входом преобразователя тока повышенной частоты в формат тока, необходимого для работы накопителя энергии на принимающем модуле через электрическую емкость, образующую с однопроводной плоской спиральной обмоткой принимающего модуля последовательный резонансный контур.
На Фиг. 6 представлена электрическая схема способа и устройства для беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя, включающих в себя передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику энергии на электропотребителе, при этом катушку магнитной связи для передачи электрической энергии с выхода преобразователя тока в плоскую двухпроводную спиральную обмотку передающего модуля выполняют в виде двух кольцевых полуобмоток, располагаемых вдоль периферии, на противоположных сторонах плоской двухпроводнй спиральной обмотки.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство содержит источник электрической энергии 1, к которому подключен преобразователь 2 электрического тока из формата 380 в, 3ф, 50 Гц в формат однофазного тока повышенной частоты (1,0-30,0)кГц. Частота тока на выходе преобразователя 2 может изменяться оператором или автоматически. Выход преобразователя частоты 2 соединен с периферийными выводами плоской двухпроводной спиральной обмотки 3. Центральные выводы плоской, двухпроводной спиральной обмотки изолированы друг от друга и от электропроводящих деталей и узлов передающего модуля 4. Выполненная описанным образом, плоская, двухпроводная спиральная обмотка 3 представляет собой свернутую в плоскую спираль разомкнутую на конце длинную линию, питаемую от перестраиваемого по частоте преобразователя частоты 2. При настройке преобразователя частоты 2 на частоту четвертьволнового резонанса обмотки 3 вдоль длинной линии, свернутой в двухпроводную спираль 3, возбуждаются стоячие волны тока и потенциала с пучностью потенциала в центре спирали между изолированными выводами и пучностью тока на входных, периферийных выводах, к которым подключен своими выходными клеммами преобразователь частоты 2. На разомкнутых и изолированных выводах длинной линии 3 образуется узел тока, на входных, периферийных выводах линии 3 возбуждается узел потенциала. При таком размещении в двухпроводной, спиральной обмотке 3 узлов и пучностей тока и потенциала магнитное поле двухпроводной обмотки 3 не убывает к периферии обмотки из-за размещения на периферии обмотки 3 пучности тока, что дает возможность электромагнитному полю на периферии эффективно участвовать в передаче энергии на приемный электромагнитный узел 6 принимающего энергию модуля 5. Энергия, возбуждаемая в однопроводной, спиральной обмотке 6, через преобразователь 7 переводится из энергии тока повышенной частоты в энергию с форматом тока, подходящего для обеспечения штатной работы накопителя 8 электрической энергии на принимающем модуле 5. Плоская, однопроводная, спиральная обмотка 6 работает как обычная, нерезонансная обмотка, помещенная в электромагнитное переменное поле двухпроводной, четвертьволновой обмотки 3 передающего модуля 4.
Плоская двухпроводная спиральная обмотка 6 в приемном модуле 5 на Фиг. 2 при разъединении выводов в центральной части спирали начинает также как и плоская двухпроводная спиральная обмотка 3 в передающем модуле 4 работать в режиме свернутой в спираль, разомкнутой на конце двухпроводной длинной линии. В центральной части обмотки 6 возбуждается пучность потенциала и на периферии обмотки 6 возбуждается пучность тока. В связи с этим на периферии обмотки 6 возбуждается пучность индукции магнитного потока обмотки 6, что обеспечивает большую равномерность плотности потока энергии по всей площади спиральной двухпроводной обмотки 3.
Соединение периферийных выводов в плоской двухпроводной спиральной обмотке 3 в передающем модуле 4 на Фиг. 3 обеспечивает гальваническую развязку плоской двухпроводной спиральной обмотки 3 от питающей сети переменного тока промышленного формата, что существенно снижает травмоопасность зарядного устройства для обслуживающего персонала накопителей электроэнергии, а также пользователей постом и беспроводной зарядки стационарных и мобильных электропользователей.
Показанное на Фиг. 4 и Фиг. 5 включение в питающий и сливной контуры передающего 4 и принимающего 5 модулей конденсаторов 10 и 11, создает условия для возникновения последовательного резонанса в цепях накачки энергии в питающую обмотку связи 9 в передающем модуле 4 и слива энергии из приемной однослойной спиральной обмотки 6 в принимающем модуле 5.
Разбиение питающей обмотки 9 в передающем модуле 4 повышает надежность процесса накачки энергии в передающую двухпроводную спиральную обмотку 3 (Фиг. 6) за счет двухсторонней накачки энергии в обмотку 3, что облегчает температурный режим работы обмоток 6 и упрощает режим охлаждения узла накачки энергии в зарядное устройство.
Пример выполнения способа и устройства для беспроводной зарядки накопителя электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя. Вариант 1.
2
0
Передающая питающая катушка 3 выполнена двойным медным проводом сечением 0,75 мм., 90 витков. Проводники обмотки лежат в одной плоскости, образуя двухпроводную спираль Архимеда. Внутренний диаметр спиральной намотки 100 мм, наружный диаметр 480 мм. Индуктивность каждой спирали 5,1 мГн. Двухпроводная спиральная обмотка представляет собой свернутую в виде плоской спирали четвертьволновую длинную линию, разомкнутую на конце. Концы линии изолированны друг от друга. Емкость между проводниками спирали 30,5 нФ. Сопротивление проводников двухпроводной спиральной обмотки 2,3 Ом и 2,4 Ом. Резонансная частота f=64-60 кГц. Приемная катушка 6 приемного модуля 5 выполнена в виде плоской однопроводной спиральной обмотки с внутренним диаметром 100 мм. Индуктивность обмотки 0,3 мГн. На расстоянии 0,5 м по вертикали между передающей 3 и приемной 6 обмотками, при перемещении в двух взаимно перпендикулярных направлениях в горизонтальной плоскости (±0,3 м от центра) прокачивалась электрическая энергия мощностью 100 Вт с разбросом не более 7%.
Вариант 2.
2
В условиях передачи энергии по Варианту 1 накачка энергии в передающую питающую обмотку 3 осуществлялась с помощью обмотки накачки 9. Обмотка накачки 9 выполнена медным проводом, сечением 2,5 мм, число витков 3. Индуктивность обмотки 9-18,5 мкГн. К выходу преобразователя частоты 2 обмотка 9 подключена через последовательно включенный электрический конденсатор 10. Емкость конденсатора 10-180 нФ. Выводы обмотки 3 замыкались между собой. Периферийные замеры разброса передаваемой мощности в одинаковых условиях проведения испытаний по Варианту 1 показали аналогичные результаты по разбросу при отклонении приемной обмотки от центра на ±0,3 м - не более 7%.
В условиях передачи энергии по Варианту 1 и Варианту 2 проведена передача на расстояние 1,0 м энергии мощностью 100 Вт. Разброс составил не более 10%.
2
Таким образом, испытания по передаче электроэнергии на расстояния 0,5 м и 1,0 м показали что на площади, примерно, 0,3 м неравномерность интенсивности электромагнитного поля зарядки маломощных гаджетов, таких как мобильные телефоны, ноутбуки, планшеты и др., не хуже 10%. Средняя интенсивность потока электромагнитной энергии при этом составляла, примерно, 0,3 кВт/м2.
Вариант 3
2
Передающая питающая катушка 3 выполнена двойным медным, многожильным проводом ПВМТг-40, сечением 0,25 мм, прочность изоляции по постоянному току 40 кВ, внешний диаметр в изоляции 4,2 мм. Обмотка плоская, прямоугольная спираль с внешними габаритами 2,5 м × 1,0 м. Число двойных витков - 150. Внутренние выводы обмотки изолированы друг от друга. Внешние подключены к питающему преобразователю частоты. Частота питающего тока 11 кГц. Индуктивность каждой ветви двухпроводной обмотки 6,2 мГн. Сопротивление постоянному току каждой ветви 11 Ом. Принимающая катушка выполнена медным, многожильным проводом сечением 16 мм2. Габариты принимающей катушки 1,4 м × 0,5 м. Число витков 25. Индуктивность 1,2 мГн. Сопротивление постоянному току 0,16 Ом. Расстояние между передающей и принимающей катушками 0,3 м передаваемая мощность 2,0 кВт.
Неравномерность мощности при отклонении от центрального положения в любую из четырех сторон на 0,5 м составила не более 10%. Средняя интенсивность потока электромагнитной энергии составила, примерно, 3,0 кВт/м2.
Таким образом, испытание на неравномерность потока по передаче электроэнергии на расстояние 0,3 м при мощности 2,0 кВт, путем смещения принимающей катушки на ±0,5 м (полуширина передающей катушки) показали отклонения мощности не более, чем на 10%.
Устройство по Варианту 3 может использоваться для зарядки аккумуляторов таких мобильных агрегатов, как автомобиль, автокар, квадрокоптер без предъявления жестких требований к взаимному позиционированию зарядного устройства и обслуживаемого агрегата или гаджета, при этом для гаджетов обеспечивается одновременное, параллельное обслуживание нескольких объектов. В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность беспроводной зарядки накопителей электроэнергии неподвижного или мобильного электропотребителя, а именно: зарядка и подзарядка накопителей электрической энергии транспортных средств во время движения или на специальных постах беспроводной зарядки во время нахождения мобильного электропотребителя на светофорном перекрестке и др., зарядка и подзарядка накопителя электрической энергии мобильных телефонов, ноутбуков, планшетов в больших помещениях, зарядка и подзарядка накопителей электрической энергии квадрокоптеров, автоматизированных транспортных логистических систем перемещения грузов на крупных складах, базах, хранилищах, в условиях эксплуатации автоматизированных систем с нежелательным присутствием человека (склады с очень низкими рабочими температурами, склады со специальным составом атмосферной среды и др.).