СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ БАРЬЕРА В СИСТЕМЕ ИНДУКЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ И/ИЛИ ДАННЫХ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
METHOD OF MODIFICATION OF BARRIER IN SYSTEM OF INDUCTION TRANSMISSION OF ENERGY AND/OR DATA FOR IMPROVEMENT OF EFFICIENCY OF ENERGY TRANSMISSION

Область техники
Настоящее изобретение относится к системе магнитной индукции для беспроводной передачи энергии и/или данных через барьер. Более конкретно, изобретение относится к способу механической модификации барьера для улучшения протекания магнитного потока от передатчика магнитного поля к приемнику магнитного поля, чтобы, тем самым, повышать эффективность передачи энергии системы.
Предшествующий уровень техники
Системы, которые применяют магнитную индукцию, чтобы беспроводным образом передавать энергию и сигналы данных через барьеры, известны в данной области техники. Как показано на фиг. 1, такие системы индукционной передачи энергии и данных обычно включают в себя передатчик 10 магнитного поля, который располагается на одной стороне барьера 12, и приемник 14 магнитного поля, который располагается на противоположной стороне барьера. Передатчик 10 магнитного поля обычно включает в себя катушку 16 передатчика, которая намотана вокруг сердечника 18 передатчика, и приемник 14 магнитного поля обычно включает в себя катушку 20 приемника, которая намотана вокруг сердечника 22 приемника. Передатчик 10 соединен с генератором 24 сигналов, который, при активировании, генерирует изменяющийся со временем ток, который течет через катушку 16 передатчика. Протекание тока через катушку 16 передатчика генерирует изменяющееся со временем магнитное поле, которое в теории протекает через барьер 12 к приемнику 14. В приемнике 14, изменяющееся со временем магнитное поле протекает через сердечник 22 приемника и вызывает протекание тока через катушку 20 приемника, который затем может использоваться для питания устройства 26, которое подсоединено к катушке приемника.
Хотя системы индукционной передачи данных работают достаточно хорошо с барьерами, сделанными из многих типов материалов, системы индукционной передачи энергии обычно работают удовлетворительно только с барьерами, выполненными из материалов, имеющих относительно низкие магнитные проницаемости. Причина этого может объясняться посредством ссылки на фиг. 2 и 3, которые являются представлениями системы индукционной передачи энергии из фиг. 1, показывающими, пути, по которым следуют линии магнитного поля, сгенерированные посредством передатчика 10, когда барьер 12 выполнен из материала, имеющего относительную магнитную проницаемость около 10, и материала, имеющего относительную магнитную проницаемость около 100, соответственно. Как показано на фиг. 2, когда относительная магнитная проницаемость барьера 12 около 10, существенная часть линий магнитного поля, сгенерированных посредством передатчика 10, протекает через барьер и в сердечник 22 приемника. Как показано на фиг. 3 с другой стороны, когда относительная магнитная проницаемость барьера 12 около 100, относительно малая часть линий магнитного поля протекает через барьер и в сердечник 22 приемника. Вместо этого, большинство линий магнитного поля, сгенерированных посредством передатчика 10, "замыкаются" через барьер 12 и возвращаются в сердечник 18 передатчика до достижения сердечника 22 приемника.
Эффективность передачи энергии системы индукционной передачи энергии напрямую пропорциональна величине магнитного потока, сгенерированного передатчиком, которая протекает через сердечник приемника. Величина магнитного потока в сердечнике приемника в свою очередь пропорциональна количеству линий магнитного поля, которые проходят через пересекающее поперечное сечение сердечника приемника. При сравнении фиг. 2 с фиг. 3, поэтому, можно видеть, что величина магнитного потока в сердечнике 22 приемника, когда относительная магнитная проницаемость барьера 12 около 10, является значительно более большой, чем величина магнитного потока в сердечнике 22 приемника, когда относительная магнитная проницаемость барьера равна около 100. Поэтому, эффективность передачи энергии системы индукционной передачи энергии будет больше, когда барьер 12 выполнен из материала, имеющего относительно низкую магнитную проницаемость.
Однако эффективность передачи энергии не продолжает повышаться по мере того, как магнитная проницаемость барьера уменьшается. Фиг. 4 является представлением системы индукционной передачи энергии из фиг. 1, показывающей пути, по которым следуют линии магнитного поля, сгенерированные посредством передатчика 10, когда барьер 12 выполнен из материала, имеющего относительную магнитную проницаемость около 1. При сравнении фиг. 2 и 4, можно видеть, что, когда барьер 12 выполнен из материала, имеющего относительную магнитную проницаемость около 1, более малая часть магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика 10, проходит в сердечник 22 приемника, чем в случае, когда барьер выполнен из материала, имеющего относительную магнитную проницаемость около 10. Поэтому, эффективность передачи энергии системы, в которой барьер имеет относительную магнитную проницаемость около 1, меньше, чем эффективность передачи энергии системы, в которой барьер имеет относительную магнитную проницаемость около 10.
Однако, во многих приложениях, в которых системы беспроводной индукционной передачи энергии являются предпочтительными, барьеры выполнены из материалов, имеющих относительно высокие магнитные проницаемости. Например, в индустрии подводной добычи нефти и газа, электрически питаемые устройства, такие как датчики, передатчики и исполнительные механизмы, иногда располагаются внутри компонентов оборудования добычи, таких как корпуса устьевого оборудования, фонтанные поточные линии и исполнительные механизмы клапанов, чтобы наблюдать и управлять потоком флюидов через компоненты. Хотя питание для этих электрически питаемых устройств может обеспечиваться посредством внутренних аккумуляторов или внешних источников энергии, аккумуляторы со временем теряют заряд и внешние источники энергии требуют бурения отверстий через компоненты, чтобы размещать проходящие насквозь соединители, и такие отверстия являются нежелательными, когда должно гарантироваться поддержание давления компонентов.
Поэтому, является предпочтительной система беспроводной индукционной передачи энергии для питания устройств, расположенных внутри компонентов оборудования подводной добычи углеводородов. Однако многие из обычных материалов, используемых для изготовления этих компонентов, такие как 4130, X65, Super Duplex и сталь 1010, имеют относительные проницаемости почти 1000. Следовательно, эффективности передачи энергии для системы индукционной передачи энергии для использования с этими компонентами будут скорей всего только малой долей процента. Как результат, системы индукционной передачи энергии не являются практичными для использования с такими компонентами.
В других приложениях, в которых в настоящее время применяются системы беспроводной индукционной передачи энергии, эффективности передачи энергии меньше, чем идеальные, так как барьеры выполняются из материалов очень низкой магнитной проницаемости. Например, беспроводные зарядные станции, использующие системы беспроводной индукционной передачи энергии, разработаны, чтобы перезаряжать некоторое количество портативных устройств, таких как сотовые телефоны, персональные мультимедийные проигрыватели и камеры. Однако эти устройства обычно имеют корпуса, выполненные из материалов очень низкой магнитной проницаемости, таких как пластик. Как результат, эффективность передачи энергии зарядной станции является относительно низкой. Следовательно, требуется относительно длительное время, чтобы полностью зарядить устройство, и эффективность зарядки является, по существу, пониженной.
Краткое изложение сущности изобретения
В соответствии с настоящим изобретением, эти и другие ограничения в предшествующем уровне техники решаются посредством обеспечения способа повышения эффективности передачи энергии системы беспроводной индукционной передачи энергии и/или данных, содержащей передатчик магнитного поля, который располагается на первой стороне барьера, и приемник магнитного поля, который располагается на второй стороне барьера напротив первой стороны. Способ содержит размещение, по меньшей мере, одного элемента протекания потока в или смежно с барьером, по меньшей мере, частично между передатчиком и приемником. Элемент протекания потока имеет магнитную проницаемость, отличающуюся от магнитной проницаемости барьера. Таким образом, элемент протекания потока повышает величину магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика, который проходит через барьер и в приемник.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, упомянутый, по меньшей мере, один элемент протекания потока имеет магнитную проницаемость, более низкую, чем магнитная проницаемость барьера, передатчик имеет два полюса передатчика, и этап размещения, по меньшей мере, одного элемента протекания потока в или смежно с барьером содержит встраивание элемента протекания потока в барьер таким образом, что, по меньшей мере, участок элемента протекания потока располагается между полюсами передатчика. Таким образом, элемент протекания потока препятствует замыканию магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика, через барьер между полюсами передатчика.
В этом варианте осуществления, элемент протекания потока может иметь толщину, которая является приблизительно такой же, как толщина барьера на границе между барьером и элементом протекания потока.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, элемент протекания потока содержит продолговатый элемент, который располагается между полюсами передатчика. В этом варианте осуществления, элемент протекания потока может проходить через барьер, в общем, перпендикулярно к полюсам передатчика. В дополнение, элемент протекания потока может иметь длину, которая является достаточной, чтобы предотвращать замыкание магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика, через барьер вокруг концов элемента протекания потока. Дополнительно, элемент протекания потока может соответствовать форме барьера. Также, элемент протекания потока может соответствовать конфигурации поперечного сечения барьера.
В соответствии с еще другим вариантом осуществления изобретения, элемент протекания потока содержит, по меньшей мере, в общем, прямую первую часть, которая располагается между полюсами передатчика. В этом варианте осуществления, элемент протекания потока также может содержать, по меньшей мере, вторую часть, которая располагается вокруг первой части и обоих полюсов передатчика.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления изобретения, упомянутый, по меньшей мере, один элемент протекания потока содержит первый элемент протекания потока, который располагается вокруг одного из полюсов передатчика. В этом варианте осуществления, упомянутый, по меньшей мере, один элемент протекания потока также может содержать второй элемент протекания потока, который располагается вокруг другого из полюсов передатчика.
В соответствии с еще другим вариантом осуществления изобретения, элемент протекания потока имеет первое отверстие, которое выровнено с одним из полюсов передатчика. В этом варианте осуществления, элемент протекания потока также может иметь второе отверстие, которое выровнено с другим из полюсов передатчика.
В любом из вышеописанных вариантов осуществления, этап встраивания элемента протекания потока в барьер может содержать формирование элемента протекания потока требуемой формы, формирование соответствующего проема в барьере, и прикрепление элемента протекания потока к барьеру в или над проемом. Этап прикрепления элемента протекания потока к барьеру может содержать приваривание элемента протекания потока к барьеру.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, этап встраивания элемента протекания потока в барьер содержит обеспечение барьера в отдельных секциях барьера и сварку секций барьера вместе. В этом варианте осуществления, элемент протекания потока содержит результирующий сварной шов.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, упомянутый, по меньшей мере, один элемент протекания потока имеет магнитную проницаемость, большую, чем магнитная проницаемость барьера, передатчик включает в себя два полюса передатчика, приемник имеет два полюса приемника, которые, в общем, выровнены с полюсами передатчика, и этап размещения, по меньшей мере, одного элемента протекания потока в или смежно с барьером содержит встраивание элемента протекания потока в барьер между первым полюсом передатчика и первым полюсом приемника и между вторым полюсом передатчика и вторым полюсом приемника. Таким образом, элемент протекания потока обеспечивает протекание магнитного потока между полюсами передатчика и полюсами приемника.
В вышеописанном варианте осуществления, этап встраивания упомянутого, по меньшей мере, одного элемента протекания потока в барьер может содержать встраивание первого элемента протекания потока в барьер между первым полюсом передатчика и первым полюсом приемника и встраивание второго элемента протекания потока в барьер между вторым полюсом передатчика и вторым полюсом приемника.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, барьер содержит первый корпус, в котором располагается передатчик, и второй корпус, в котором располагается приемник, и этап встраивания первого и второго элементов протекания потока в барьер содержит прикрепление элементов протекания потока к, по меньшей мере, одному из корпусов.
Настоящее изобретение также направлено на барьер, который изготавливается или модифицируется в соответствии со способами, описанными выше, чтобы повышать эффективность передачи энергии системы беспроводной индукционной передачи энергии и/или данных, которая установлена поперек барьера. Изобретение дополнительно направлено на систему беспроводной индукционной передачи энергии и/или данных, которая включает в себя барьер, который изготавливается или модифицируется в соответствии со способами, описанными выше, чтобы повышать эффективность передачи энергии системы.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает эффективный способ и устройство для повышения эффективности передачи энергии систем беспроводной индукционной передачи энергии и/или данных, которые установлены поперек барьеров, выполненных из материалов с относительно высокой или очень низкой магнитной проницаемостью. Таким образом, изобретение обеспечивает возможность использовать системы беспроводной индукционной передачи энергии и/или данных, чтобы питать устройства, которые ранее не могли практично питаться таким образом.
Эти и другие цели и преимущества настоящего изобретения станут ясными из последующего подробного описания, со ссылкой на сопровождающие чертежи. На чертежах, одинаковые ссылочные позиции могут использоваться, чтобы обозначать аналогичные компоненты в различных вариантах осуществления.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 является схематическим представлением иллюстративной системы беспроводной индукционной передачи энергии и/или данных предшествующего уровня техники, показанной в расположении поперек иллюстративного барьера;
Фиг. 2 является представлением системы индукционной передачи энергии/данных из фиг. 1, показывающим протекание магнитного потока через барьер, выполненный из материала, имеющего относительную магнитную проницаемость около 10;
Фиг. 3 является представлением системы индукционной передачи энергии/данных из фиг. 1, показывающим протекание магнитного потока через барьер, выполненный из материала, имеющего относительную магнитную проницаемость около 100;
Фиг. 4 является представлением системы индукционной передачи энергии/данных из фиг. 1, показывающим протекание магнитного потока через барьер, выполненный из материала, имеющего относительную магнитную проницаемость около 1;
Фиг. 5 - это график эффективности передачи энергии по отношению к относительной магнитной проницаемости для репрезентативной системы индукционной передачи энергии;
Фиг. 6 является видом в перспективе системы индукционной передачи энергии/данных из фиг. 1, иллюстрирующим первый вариант осуществления способа для модификации барьера для улучшения эффективности передачи энергии, в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 7 является представлением поперечного сечения системы индукционной передачи энергии/данных из фиг. 6, взятого вдоль линии 7-7;
Фиг. 8 является видом в перспективе системы индукционной передачи энергии/данных из фиг. 1, иллюстрирующим второй вариант осуществления способа модификации барьера для улучшения эффективности передачи энергии, в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 9 является представлением поперечного сечения системы индукционной передачи энергии/данных из фиг. 8, взятого вдоль линии 9-9;
Фиг. 10 является видом в перспективе системы индукционной передачи энергии/данных из фиг. 1, иллюстрирующим третий вариант осуществления способа модификации барьера для улучшения эффективности передачи энергии в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 11 является представлением поперечного сечения системы индукционной передачи энергии/данных из фиг. 10, взятого вдоль линии 11-11;
Фиг. 12 является видом в перспективе системы индукционной передачи энергии/данных из фиг. 1, иллюстрирующим еще другой вариант осуществления способа модификации барьера для улучшения эффективности передачи энергии, в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 13 является представлением поперечного сечения системы индукционной передачи энергии/данных из фиг. 12, взятого вдоль линии 13-13;
Фиг. 14 является представлением плана сверху работающего на аккумуляторах устройства и ассоциированной зарядной станции, которые оборудованы системой индукционной передачи энергии/данных; и
Фиг. 15 является представлением поперечного сечения работающего на аккумуляторах устройства и зарядной станции из фиг. 14, иллюстрирующим еще другой вариант осуществления способа модификации барьера для улучшения эффективности передачи энергии, в соответствии с настоящим изобретением.
Описание предпочтительных вариантов изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает эффективный способ повышения эффективности передачи энергии систем индукционной передачи энергии и/или данных, которые установлены поперек барьеров, выполненных из материалов с относительно высокой или очень низкой магнитной проницаемостью. Таким образом, изобретение обеспечивает возможность использовать системы индукционной передачи энергии, чтобы питать устройства, которые размещены внутри структур, выполненных из материалов с относительно высокой магнитной проницаемостью, таких как компоненты оборудования подводной добычи углеводородов, корпуса кораблей и подводных лодок, ядерные реакторы и резервуары высокого давления. В дополнение, изобретение улучшает эффективность передачи энергии систем индукционной передачи энергии, которые используются, например, в зарядных станциях для питаемых от аккумуляторов устройств, которые имеют корпуса, выполненные из материалов с очень низкой магнитной проницаемостью, таких как пластик.
В целях простоты, несколько вариантов осуществления изобретения, изложенные ниже, будут описываться в контексте системы беспроводной индукционной передачи энергии и/или данных, показанной на фиг. 1. В этом иллюстративном и неограничивающем варианте осуществления системы индукционной передачи энергии/данных, сердечники 18, 22 передатчика и приемника, каждый, показаны как имеющие, в общем, C-образную конфигурацию, которая определяется основным участком 28, вокруг которого намотана катушка 16, 20, и двумя участками 30 ножек, которые проходят поперечно от противоположных концов основного участка. В этом примере, участки 30 ножек сердечника 18 передатчика определяют полюса передатчика 10 и участки ножек сердечника 22 приемника определяют полюса приемника 14. Однако, следует понимать, что настоящее изобретение может использоваться с другими типами передатчиков и приемников магнитного поля, имеющими разные сердечники передатчика и приемника.
Как описывалось выше в связи с фиг. 2 и 3, эффективность передачи энергии репрезентативной системы индукционной передачи энергии/данных из фиг. 1 является большей для барьера, который имеет относительную магнитную проницаемость около 10, по сравнению с барьером, который имеет относительную магнитную проницаемость около 100. Это происходит вследствие того факта, что, с барьером более высокой магнитной проницаемости, магнитный поток, сгенерированный посредством передатчика, имеет тенденцию замыкаться через барьер и возвращаться в передатчик до того, как он может достичь приемника. Как результат, малая часть магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика, проходит в приемник.
Также, как описывалось выше в связи с фиг. 4, эффективность передачи энергии репрезентативной системы передачи энергии/данных из фиг. 1 является более низкой для барьера, который имеет относительную магнитную проницаемость около 1, чем для барьера, который имеет относительную магнитную проницаемость около 10. Это происходит вследствие того факта, что, с барьером более низкой магнитной проницаемости, линии магнитного поля, исходящие от передатчика, являются достаточно разупорядоченными, и между передатчиком и приемником существует магнитная связь, меньшая оптимальной. Как результат, более малая часть магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика, проходит в приемник. Однако, по мере того, как относительная магнитная проницаемость барьера повышается, линии магнитного поля становятся более тесно сконцентрированными по направлению к приемнику и более большая часть потока, сгенерированного посредством передатчика, проходит в приемник. Этот эффект проиллюстрирован на фиг. 5, которая является графиком эффективности передачи энергии по отношению к проницаемости барьера для смоделированной системы передачи энергии, содержащей барьер один дюйм в толщину. Как показано на фиг. 5, эффективность передачи энергии этой системы приблизительно 3,8%, когда относительная магнитная проницаемость барьера равна 1, и имеет пик приблизительно 10,5%, когда относительная магнитная проницаемость барьера около 11.
Конечно, максимальная эффективность передачи энергии, которую система индукционной передачи энергии/данных может достигать, зависит не только от магнитной проницаемости барьера, но также от таких факторов как толщина барьера. Однако, любая система индукционной передачи энергии/данных, содержащая заданный барьер, будет иметь максимальную эффективность передачи энергии, когда барьер имеет некоторую магнитную проницаемость, которая может иногда указываться в дальнейшем как "оптимальная магнитная проницаемость".
В соответствии с настоящим изобретением, эффективность передачи энергии системы индукционной передачи энергии и/или данных улучшается посредством механической модификации барьера, чтобы повышать величину потока, сгенерированного посредством передатчика, который проходит в приемник. Барьер механически модифицируется посредством размещения, по меньшей мере, одного элемента (который может иногда указываться в дальнейшем как "элемент протекания потока") в или смежно с барьером, по меньшей мере, частично между передатчиком и приемником. Для систем, в которых барьер имеет магнитную проницаемость, большую, чем его оптимальная магнитная проницаемость, элемент протекания потока, имеющий более низкую магнитную проницаемость, чем магнитная проницаемость барьера, размещается в барьере, чтобы препятствовать замыканию магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика, через барьер и назад в передатчик. Для систем, в которых барьер имеет магнитную проницаемость, меньшую, чем его оптимальная магнитная проницаемость, элемент протекания потока, имеющий более высокую магнитную проницаемость, чем магнитная проницаемость барьера, размещается в или смежно с барьером, чтобы лучше фокусировать линии магнитного поля в направлении к приемнику и, тем самым, обеспечивать проход более большей части магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика, в приемник.
Для барьера, имеющего магнитную проницаемость, большую, чем его оптимальная магнитная проницаемость, элемент или элементы протекания потока создают одну или более областей с более низкой магнитной проницаемостью, которые будут препятствовать замыканию магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика, через барьер между полюсами передатчика. Область или области с более низкой магнитной проницаемостью в действительности повышают магнитное сопротивление для замкнутого контура до уровня, который является достаточным, чтобы препятствовать протеканию потока между полюсами передатчика и, вместо этого, обеспечивать протекание потока поперечно через барьер и в приемник.
Один вариант осуществления способа настоящего изобретения модификации барьера, имеющего магнитную проницаемость, большую, чем его оптимальная магнитная проницаемость, включает в себя встраивание, по меньшей мере, одного элемента протекания потока в барьер между полюсами передатчика. Пример такого одного варианта осуществления будет описываться со ссылкой на фиг. 6 и 7, которые изображают репрезентативную систему индукционной передачи энергии/данных из фиг. 1, установленную поперек части репрезентативного барьера 12. В этом варианте осуществления, продолговатый элемент 32 протекания потока встраивается в барьер 12 таким образом, что, когда передатчик 10 монтируется или иным способом удерживается по отношению к барьеру, элемент протекания потока располагается между участками 30 ножек сердечника 18 передатчика, в общем, перпендикулярно к катушке 16 передатчика. Таким образом, элемент 32 протекания потока проходит через барьер 12, в общем, перпендикулярно к участкам 30 ножек, и формирует область с более низкой магнитной проницаемостью в барьере, которая препятствует замыканию магнитного потока Ф, сгенерированного посредством передатчика 10, через барьер от одного участка ножки к другому.
В соответствии с одним иллюстративным и неограничивающим вариантом осуществления изобретения, элемент 32 протекания потока может встраиваться в барьер 12 посредством изготовления элемента протекания потока в требуемой форме, вырезания или иного формирования соответствующего проема 34 в барьере, и затем закрепления элемента протекания потока в проеме посредством подходящего средства, такого как сварка. В соответствии с другим иллюстративным и неограничивающим вариантом осуществления изобретения, элемент 32 протекания потока может встраиваться в барьер 12 посредством разделения барьера на отдельные секции 12a, 12b барьера и затем сварки секций вместе с использованием подходящего заполняющего материала, так что результирующий сварной шов формирует элемент протекания потока. Этот последний способ является особенно подходящим, когда барьер 12 обычно обеспечивается в виде отдельных секций, которые стандартно свариваются вместе, как, например, в случае трубопровода или корпуса корабля.
Чтобы препятствовать замыканию магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика 10, через барьер 12 вокруг элемента 32 протекания потока, толщина элемента протекания потока должна быть приблизительно такой же, как толщина барьера на границе 36 между барьером и элементом протекания потока. В дополнение, длина элемента 32 протекания потока должна быть достаточной, чтобы предотвращать замыкание магнитного потока через барьер 12 вокруг концов элемента протекания потока.
Дополнительно, хотя изображен на фиг. 6 как являющийся прямым, элемент 32 протекания потока может быть изогнутым или сконфигурированным иным образом. Более того, элемент 32 протекания потока может быть выполнен, чтобы соответствовать форме барьера 12. Например, в случае, когда барьер 12 является трубчатым элементом, элемент 32 протекания потока может соответствовать конфигурации поперечного сечения барьера и проходить частично или полностью вокруг барьера. Таким образом, совместимый с вышеприведенным описанием, элемент 32 протекания потока может содержать круговой сварной шов, который формируется, когда две секции трубы свариваются вместе, чтобы формировать трубопровод, в этом случае, трубопровод будет содержать барьер 12.
TM
TM
Элемент 32 протекания потока, в идеальном случае, выполнен из материала, имеющего магнитную проницаемость, достаточно низкую, чтобы препятствовать замыканию магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика 10, через барьер 12 по элементу протекания потока. Предпочтительный материал для элемента 32 протекания потока будет зависеть от среды, в которой барьер 12 используется, и способа, который используется, чтобы прикреплять элемент протекания потока к барьеру. Например, если барьер 12 используется как часть компонента, который подвергается высоким температурам и давлениям, элемент 32 протекания потока должен быть выполнен из материала, который является способным выдерживать такие же температуры и давления. Также, если предполагается приваривать элемент 32 протекания потока к барьеру 12, элемент протекания потока должен быть выполнен из материала, который является способным привариваться к материалу барьера. В дополнение, если элемент 32 протекания потока должен формироваться посредством сварного шва между двумя секциями барьера, заполняющий материал должен быть материалом, который является совместимым с материалом барьера и будет обеспечивать в результате сварной шов, имеющий требуемую магнитную проницаемость. В одном иллюстративном и неограничивающем примере изобретения, барьер выполнен из стали 1010, имеющей относительную магнитную проницаемость около 1000, элемент протекания потока выполнен из Inconel 625, имеющего относительную магнитную проницаемость около 1, и элемент протекания потока приваривается к барьеру с использованием Inconel 625, такого, как заполняющий материал.
Второй вариант осуществления способа настоящего изобретения модификации барьера, имеющего магнитную проницаемость, большую, чем его оптимальная магнитная проницаемость, показан на фиг. 8 и 9. В этом варианте осуществления, элемент 38 протекания потока показан как имеющий, в общем, "Ф"-образную конфигурацию, которая включает в себя кольцевой участок 40, который разделен пополам посредством брусообразного участка 42, чтобы, тем самым, определять два полукруглых проема 44. Также, сердечник 18 передатчика располагается по отношению к элементу 38 протекания потока таким образом, что катушка 16 передатчика является, в общем, перпендикулярной к брусообразному участку 42 и каждый участок 30 ножки располагается над соответствующим отверстием 44.
Элемент 38 протекания потока может встраиваться в барьер 12 посредством любого подходящего средства. В одном иллюстративном и неограничивающем варианте осуществления изобретения, круговой проем 46, имеющий приблизительно такой же диаметр, что и кольцевой участок 40, вырезается или иным образом формируется в барьере 12. Две полукруглых заполняющих детали 48, соответствующие форме проемов 44, затем вырезаются или иным образом формируются из материала барьера или другого материала, который имеет магнитную проницаемость, достаточно высокую, чтобы обеспечивать протекание потока между передатчиком 10 и приемником 14. Затем, элемент 38 протекания потока, который вырезается или иным образом формируется из подходящего материала, имеющего требуемую магнитную проницаемость, более низкую, чем магнитная проницаемость барьера 12, закрепляется в проеме 46 и заполняющие детали 48 закрепляются в проемах 44. В случае, когда элемент 38 протекания потока и заполняющие детали 48 закрепляются в проеме 46 и проемах 44 посредством сварки, осевые концы проема и края заполняющих деталей могут скашиваться, как показано на фиг. 9, чтобы обеспечивать формирование соответствующих сварных швов 50.
Таким образом, брусообразный участок 42 элемента 38 протекания потока будет препятствовать замыканию магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика 10, через барьер 12 от одного участка 30 ножки сердечника 18 передатчика к другому. В дополнение, кольцевой участок 40 элемента 38 протекания потока будет препятствовать замыканию магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика 10, через барьер 12 между участками 30 ножек сердечника 18 передатчика вокруг концов брусообразного участка 42.
Как показано на фиг. 9, толщина элемента 38 протекания потока может быть такой же, как толщина барьера 12 и заполняющих деталей 48. Однако, в зависимости от конкретного приложения, кольцевой участок 40 и/или брусообразный участок 42 элемента 38 протекания потока может быть более толстым или более тонким, чем барьер 12 и/или заполняющие детали 48. В случае, когда кольцевой участок 40 и брусообразный участок 42 являются более тонкими, чем барьер 12 и/или заполняющие детали 48, результирующие промежутки в идеальном случае заполняются подходящим заполняющим материалом, таким как будет использоваться в сварке этих компонентов вместе, который имеет требуемую магнитную проницаемость, более низкую, чем магнитная проницаемость материала барьера, чтобы препятствовать замыканию магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика 10, через барьер вокруг осевых концов элемента протекания потока.

Третий вариант осуществления способа настоящего изобретения модификации барьера, имеющего магнитную проницаемость, большую, чем его оптимальная магнитная проницаемость, показан на фиг. 10 и 11. В этом варианте осуществления, по меньшей мере, один и предпочтительно два элемента 52 протекания потока кольцевой формы встраиваются в барьер 12, и сердечник 18 передатчика располагается таким образом, что каждый участок 30 ножек окружен соответствующим элементом протекания потока. Каждый элемент 52 протекания потока может содержать сварной шов, который наплавляется между элементом 54 вставки и соответствующим проемом 56 в барьере 12. Элементы 54 вставки предпочтительно выполнены из материала подходящим образом с высокой магнитной проницаемостью, такого как материал барьера 12, чтобы обеспечивать протекание потока между передатчиком 10 и приемником 14. В дополнение, сварной шов 52 в идеальном случае, выполнен с использованием заполняющего материала, который имеет магнитную проницаемость, достаточно низкую, чтобы препятствовать замыканию магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика 10, через барьер по элементу протекания потока. Также, как показано наиболее ясно на фиг. 11, внешняя диаметральная поверхность каждого элемента вставки и/или внутренняя диаметральная поверхность каждого проема 56 может облицовываться до сварки с помощью облицовочного материала 58, выполненного из соответствующего материала с низкой проницаемостью, такого как Inconel, чтобы уменьшать расширение железа сварного шва 52 и, тем самым, обеспечивать достаточно низкую магнитную проницаемость сварного шва.
В качестве альтернативы к варианту осуществления изобретения, показанному на фиг. 10 и 11, каждый элемент 52 протекания потока может содержать элемент кольцевой формы, который вырезается или иным образом формируется из подходящего материала, имеющего требуемую магнитную проницаемость, более низкую, чем магнитная проницаемость барьера 12. Элементы 52 протекания потока могут затем встраиваться в барьер посредством закрепления каждого элемента протекания потока в соответствующем проеме 56 как, например, посредством сварки.
Другой вариант осуществления способа настоящего изобретения модификации барьера, имеющего магнитную проницаемость, большую, чем его оптимальная магнитная проницаемость, показан на фиг. 12 и 13. В этом варианте осуществления изобретения, в барьере 12 формируется проем 60, элемент 62 протекания потока, имеющий два отверстия 64, сформированных в нем, прикрепляется к барьеру над проемом, и два глухих фланца 66 прикрепляются к элементу протекания потока, один над каждым отверстием. Передатчик 10 затем располагается таким образом, что каждый участок 30 ножек сердечника 18 передатчика располагается над соответствующим глухим фланцем 66, и приемник 14 располагается на противоположной стороне глухих фланцев таким образом, что участки ножек сердечника 22 приемника являются выровненными с участками ножек сердечника передатчика.
Глухие фланцы 66 оптимально выполняются из материала подходящим образом с высокой магнитной проницаемостью, такого как материал барьера 12, чтобы обеспечивать протекание потока между передатчиком 10 и приемником 14. Также, элемент 62 протекания потока в идеальном случае выполняется из материала, имеющего магнитную проницаемость, которая является достаточно низкой, чтобы препятствовать замыканию магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика 10, через элемент протекания потока между глухими фланцами 66. В дополнение, элемент 62 протекания потока может прикрепляться к барьеру 12, и глухие фланцы 66 могут прикрепляться к элементу протекания потока, посредством любого подходящего средства, такого как сварка или крепление болтами.
В альтернативном варианте осуществления изобретения, элемент 62 протекания потока может содержать два отдельных элемента. В этом варианте осуществления, каждый элемент 62 протекания потока закрепляется над соответствующим проемом 60 в барьере 12 и включает в себя отверстие 64, над которым закрепляется глухой фланец 66. Этот вариант осуществления может быть более подходящим для относительно больших сердечников 10, 14 передатчиков и приемников или барьеров 12 непостоянной формы.
Для барьеров, которые имеют магнитные проницаемости, меньшие, чем их оптимальные магнитные проницаемости, способ настоящего изобретения включает в себя размещение одного или более элементов протекания потока в барьере 12 между передатчиком 10 и приемником 14, чтобы создавать одну или более областей с более высокой магнитной проницаемостью, которая будет служить для фокусирования линий магнитного поля, сгенерированных посредством передатчика, и направления их в приемник. Это будет давать результатом большую величину магнитного потока, сгенерированного посредством передатчика 10, который проходит в приемник 14.
Один вариант осуществления способа настоящего изобретения модификации барьера, таким образом, теперь будет описываться со ссылкой на фиг. 14 и 15. Фиг. 14 является обобщенным представлением, показывающим портативное устройство 68, которое содержит расположенный на плате аккумулятор 70 и соответствующую зарядную станцию 72, которая включает в себя соответствующую электронику 74 для зарядки аккумулятора, когда портативное устройство соединено с зарядной станцией. В этом варианте осуществления изобретения, портативное устройство 68 и зарядная станция 72, каждое, включают в себя соответствующий корпус 76, 78, который выполнен из материала с низкой магнитной проницаемостью, и система беспроводной индукционной передачи энергии/данных, аналогичная той, что показана на фиг. 1, используется, чтобы передавать энергию от электроники 74 к аккумулятору 70 через корпуса, чтобы заряжать аккумулятор. Система беспроводной индукционной передачи энергии/данных включает в себя передатчик 10, который располагается в зарядной станции 72 и соединен с электроникой 74, и приемник 14, который располагается в портативном устройстве 68 и соединен с аккумулятором 70.
Как показано на фиг. 15, когда портативное устройство 68 соединено с зарядной станцией 72, можно считать, что барьер 12 между передатчиком 10 и приемником 14 содержит два корпуса 76, 78. В этом варианте осуществления, барьер 12 модифицируется посредством встраивания одиночного или, как показано на фиг. 15, двух индивидуальных элементов 80 протекания потока в барьер между соответствующими участками 30 ножек сердечников 18, 22 передатчика и приемника. В этом отношении, каждый элемент 80 протекания потока может прикрепляться к корпусу 78 зарядной станции 72 с выравниванием с соответствующим участком 30 ножек сердечника 18 передатчика. Альтернативно, элементы 80 протекания потока могут прикрепляться к корпусу 76 портативного устройства 68 с выравниванием с участками 30 ножек сердечника 22 приемника.
Элементы 80 протекания потока предназначены для обеспечения протекания потока через части корпусов 76, 78, которые располагаются между соответствующими ножками 30 сердечников 18, 22 передатчика и приемника. Форма и предпочтительная магнитная проницаемость элементов 80 протекания потока будут, поэтому, зависеть, в большей части, от формы и материала корпусов 76, 78. Для заданного барьера 12, форма и предпочтительная магнитная проницаемость элементов 80 протекания потока могут определяться эмпирически или посредством использования известной программы моделирования магнитной схемы.
Настоящее изобретение также содержит барьер, который изготавливается или модифицируется в соответствии со способами, описанными выше, чтобы повышать эффективность передачи энергии системы беспроводной индукционной передачи энергии и/или данных, которая установлена поперек барьера. Изобретение дополнительно содержит систему беспроводной индукционной передачи энергии и/или данных, которая включает в себя барьер, который изготавливается или модифицируется в соответствии со способами, описанными выше, чтобы повышать эффективность передачи энергии системы.
Следует понимать, что, в то время как настоящее изобретение было описано по отношению к его предпочтительным вариантам осуществления, специалисты в данной области техники могут разрабатывать широкое многообразие структурных и операционных деталей без отхода от принципов изобретения. Например, различные признаки, показанные в разных вариантах осуществления, могут комбинироваться образом, не проиллюстрированным выше. Поэтому, прилагаемая формула изобретения должна толковаться как охватывающая все эквиваленты, попадающие в пределы истинного объема и сущности изобретения.