УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
ELECTRIC POWER TRANSMISSION DEVICE AND METHOD OF TRANSMITTING ELECTRICAL ENERGY

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству передачи электрической энергии и к способу передачи электрической энергии.
Уровень техники
В последние годы увеличилось распространение устройств разведывания ресурсов в море или сетей морских датчиков землетрясений для раннего обнаружения землетрясений, и была сильная потребность в средствах подачи электрической энергии для этих устройств. Желательно применять технологию беспроводной передачи электроэнергии в качестве средств подачи электрической энергии для этих устройств, так как они окружены морской водой. Это связано с тем, что беспроводная передача позволяет избежать необходимости выводить металлическую вилку для подачи электрической энергии и возможности короткого замыкания в морской воде, которая имеет проводимость порядка 4 сименсов на метр (См/м).
В общем, катушка, полученная путем многократного наматывания провода, применяется в качестве средства беспроводной передачи и приема электрической энергии. Магнитный поток, сцепляющий катушку, генерируется путем подачи энергии переменного тока (AC) на катушку элемента передачи энергии. Далее, этот магнитный поток генерирует наведенный ток в катушке элемента приема энергии путем сцепления с катушкой элемента приема энергии, и осуществляется передача электрической энергии.
Попутно, в технологии беспроводной передачи, например, технология для осуществления коммуникации между основным телом терминального устройства и съемным электронным устройством, таким как карта памяти, с применением беспроводного миллиметрового волнового сигнала раскрыта в Патентном Документе 1. Кроме того, технология для улучшения значений индуктивности элемента передачи энергии и элемента приема энергии и для увеличения расстояния передачи электрической энергии с применением магнитной составляющей раскрыта в Патентном Документе 2. Кроме того, технология для улучшения взаимных индуктивностей элемента передачи энергии и элемента приема энергии и для увеличения расстояния передачи путем создания резонанса (резонанса магнитного поля) на той же частоте с применением катушки, имеющей высокое значение добротности (Q) раскрыта в Патентном Документе 3.
Патентные документы
Патентный документ 1: Японская не прошедшая экспертизу патентная заявка, первая публикация № 2011-022640.
Патентный документ 2: Японский патент № 4772744.
Патентный документ 3: Японская не прошедшая экспертизу патентная заявка, первая публикация № 2012-504387.
Задачи, которые должны быть решены изобретением
Тем не менее в технологии беспроводной передачи электрической энергии с применением традиционной технологии электромагнитной индукции необходимо сократить расстояние между катушкой элемента передачи энергии и катушкой элемента приема энергии практически до точки контакта, чтобы эффективно осуществлять передачу электрической энергии. Таким образом, например, сложно стабильно подавать электрическую энергию, так как выравнивание корабля не осуществляется с высокой точностью.
С другой стороны, даже в описанной выше технологии передачи на большое расстояние очевидно, что достигается только низкая эффективность передачи электрической энергии, когда технология передачи на большое расстояние в воздухе применяется к морской воде. Это основано на том факте, что проводимость и диэлектрические постоянные существенно различаются у воздуха и морской воды, и механизм передачи электрической энергии в среде отличается для передачи электрической энергии в воздухе и передачи электрической энергии в воде. Кроме того, проводимость воздуха равна 0 См/м и его диэлектрическая постоянная равна порядка 1. С другой стороны, проводимость воды равна порядка 4 См/м, а ее диэлектрическая постоянная равна порядка 81.
Здесь физические различия между случаем, когда электрическая энергия распространяется беспроводным способом в воздухе, и случаем, когда электрическая энергия распространяется беспроводным способом в воде, будут кратко описаны.
Во-первых, в случае передачи электрической энергии в воздухе практически не потребляется никакой энергии в процессе распространения в среде (воздухе). В данном случае факторы, уменьшающие эффективность передачи электрической энергии, в основном включают потери в катушке, потери совмещения между элементом передачи энергии и элементом приема энергии, потери отражения, такие как рассеяние магнитного поля, и потери излучения. В частности, в Патентном Документе 2 потери излучения эффективно подавляются путем применения феномена отсутствия излучения, при котором энергия накапливается вблизи элемента передачи/приема энергии путем применения катушки, имеющей большое значение Q.
С другой стороны, когда среда является морской водой, так как морская вода имеет определенную проводимость, происходят потери при распространении энергии в среде. Факторы, вызывающие потери энергии основаны на проводимости морской воды и на электрическом поле, возникающем в морской воде. То есть, потери возникают, когда в морской воде возникает градиент потенциала, пропорциональный произведению проводимости и напряженности электрического поля. Кроме того, так как морская вода имеет высокую проводимость, энергия, которая теряется, не достигая противоположного элемента приема энергии, возрастает, когда энергия передается не непосредственно от элемента передачи энергии в морской воде. Таким образом, для того, чтобы эффективно осуществлять передачу электрической энергии в морской воде, необходимо иметь направление, в котором поверхности противоположных катушек соединены, и формировать поток энергии, в целом перпендикулярный поверхности катушки.
В свете различий описанных выше механизмов распространения особенно сложно передать миллиметровый волновой сигнал, показанный в Патентном Документе 1 в среде с высокой проводимостью, такой как морская вода. Например, из-за того, что длина затухания в морской воде равна 100 мкм или меньше в случае миллиметрового волнового сигнала частотой 60 ГГц, невозможно осуществить распространение на 10 см или более в морской воде.
Кроме того, даже когда передача на большое расстояние применяется в морской воде с применением магнитного элемента или резонанса, как показано в Патентном Документе 2, магнитный поток увеличивается, доля магнитного поля, рассеивающаяся в морской воде, увеличивается с магнитным потоком, и в результате эффективность передачи электрической энергии не увеличивается. Кроме того, из-за феномена отсутствия излучения на уровне основ сложно применить передачу на большое расстояние в среде, имеющей высокую проводимость.
В частности, в случае традиционной технологии резонанса магнитного поля, показанной в Патентном Документе 3, возможно эффективно осуществить передачу энергии только путем приравнивания резонансных частот катушки элемента передачи энергии и катушки элемента приема энергии в воздухе. Тем не менее, из-за того, что диэлектрическая постоянная больше 81 в морской воде, влияние полного сопротивления между элементом передачи энергии и элементом приема энергии велико, и сложно осуществлять передачу энергии с использованием только простого феномена резонанса элементов приема/передачи энергии.
Кроме того, различные типы среды, как показано в таблице на Фиг. 27, также имеют относительно высокую проводимость и диэлектрические постоянные. Таким образом, аналогичная проблема может возникнуть даже когда диэлектрическая энергия передается не только в морской воде, но также и в других подобных средах.
Таким образом, данное изобретение предоставляет устройство передачи электрической энергии и способ передачи электрической энергии для решения описанных выше проблем.
Средства решения задачи
Данное изобретение было сделано для решения описанных выше проблем, и представляет собой устройство передачи электрической энергии для беспроводной передачи электрической энергии в среде с высокой проводимостью, причем устройство передачи электрической энергии включает: элемент передачи энергии, сконфигурированный для беспроводной передачи электрической энергии; и элемент приема энергии, сконфигурированный для приема электрической энергии, передаваемой беспроводным способом от элемента передачи энергии, где элемент передачи энергии и элемент приема энергии включают катушку передачи энергии; и элемент хранения, и покрывающий элемент, имеющий диэлектрик, сконфигурированный покрывать катушку передачи электрической энергии и передавать электрическую энергию путем вызывания резонанса на частоте, определяемой полным сопротивлением элемента передачи энергии, полным сопротивлением элемента приема энергии и полным сопротивлением среды с высокой проводимостью.
Кроме того, данное изобретение представляет собой способ беспроводной передачи электрической энергии в среде с высокой проводимостью, причем способ передачи электрической энергии включает: покрытие с помощью покрывающего элемента катушки передачи электрической энергии диэлектриком; беспроводную передачу, с помощью элемента передачи энергии, электрической энергии; прием, с помощью элемента приема электрической энергии, переданной беспроводным способом электрической энергии; и передачу электрической энергии посредством вызова резонанса на частоте, определяемой полным сопротивлением элемента передачи энергии, полным сопротивлением элемента приема энергии и полным сопротивлением среды с высокой проводимостью.
Эффекты изобретения
В соответствии с данным изобретением, возможно минимизировать потери электромагнитной энергии, рассеиваемой в среде с высокой проводимостью даже когда элемент передачи энергии и элемент приема энергии находятся в относительно отделенных соседних областях, и, следовательно, возможна передача на большое расстояние при беспроводной передаче электрической энергии в среде с высокой проводимостью, такой как морская вода.
Краткое описание чертежей
ФИГ. 1 является схемой, изображающей конфигурацию устройства передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.
ФИГ. 2 является эквивалентной схемой цепи для беспроводной передачи электрической энергии, когда передаваемая беспроводным способом электрическая энергия распространяется от элемента передачи энергии к элементу приема энергии в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.
ФИГ. 3 является графиком, изображающим влияние емкости компонентов элемента передачи энергии и элемента приема энергии и емкости компонента, формируемого между элементами передачи и приема энергии, на эффективность передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.
ФИГ. 4А является графиком, изображающим влияние диаметра катушки передачи энергии и отношение размеров покрывающего элемента со стороны передачи энергии на эффективность передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.
ФИГ. 4В является видом в разрезе, изображающим диаметр катушки передачи энергии и отношение размеров покрывающего элемента со стороны передачи энергии в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.
ФИГ. 5 является схемой, изображающей вектор электрического поля и вектор магнитного поля в устройстве передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.
ФИГ. 6 является схемой, изображающий вектор Умова-Пойнтинга (вектор потока энергии), генерируемый на основании вектора электрического поля и вектора магнитного поля устройства передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.
ФИГ. 7 является схемой, изображающей конфигурацию устройства передачи электрической энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения.
ФИГ. 8 является графиком, изображающим влияние отношения тангенса угла диэлектрических потерь первого диэлектрика к тангенсу угла диэлектрических потерь второго диэлектрика на эффективность передачи электрической энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения.
ФИГ. 9 является графиком, изображающим влияние диэлектрической постоянной первого диэлектрика и диэлектрической постоянной второго диэлектрика на эффективность передачи электрической энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения.
ФИГ. 10 является схемой, изображающей устройство передачи электрической энергии в соответствии с третьим вариантом осуществления данного изобретения.
ФИГ. 11 является схемой, изображающей первый пример третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 12 является схемой, изображающей второй пример третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 13 является схемой, изображающей третий пример третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 14 является схемой модели для проведения симуляций для определения эффекта устройства передачи электрической энергии из первого примера третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 15 является схематическим видом сверху элемента передачи энергии из первого примера третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 16 является графиком, изображающим результаты симуляции для определения эффективности передачи электрической энергии для первого примера третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 17А является видом сбоку в поперечном сечении, изображающим вектор электрического поля вблизи элемента передачи энергии и элемента приема энергии в первом примере третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 17В является видом сверху в поперечном разрезе, изображающим вектор электрического поля вблизи элемента передачи энергии и элемента приема энергии в первом примере третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 18А является видом сбоку в поперечном сечении, изображающим вектор магнитного поля вблизи элемента передачи энергии и элемента приема энергии в первом примере третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 18В является видом сверху в поперечном разрезе, изображающим вектор магнитного поля вблизи элемента передачи энергии и элемента приема энергии в первом примере третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 19А является видом сбоку в поперечном сечении, изображающим вектор Умова-Пойнтинга вблизи элемента передачи энергии и элемента приема энергии в первом примере третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 19В является видом сверху в поперечном разрезе, изображающим вектор Умова-Пойнтинга вблизи элемента передачи энергии и элемента приема энергии в первом примере третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 20А является видом сбоку в поперечном сечении, изображающим вектор Умова-Пойнтинга в воздухе в первом примере третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 20В является видом сверху в поперечном сечении, изображающим вектор Умова-Пойнтинга в воздухе в первом примере третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 21А является видом сбоку в поперечном сечении, изображающим вектор Умова-Пойнтинга в воздухе, когда применяется традиционная технология резонанса магнитного поля.
ФИГ. 21В является видом сверху в поперечном сечении, изображающим вектор Умова-Пойнтинга в воздухе, когда применяется традиционная технология резонанса магнитного поля.
ФИГ. 22 является схемой модели для проведения симуляций для определения эффекта устройства передачи электрической энергии из второго примера третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 23 является схемой модели спиральной катушки при виде со стороны верхней поверхности из второго примера третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 24 является схемой модели спиральной катушки при виде со стороны боковой поверхности из второго примера третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 25 является схемой модели петлевой катушки при виде со стороны верхней поверхности из второго примера третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 26 является схемой модели петлевой катушки при виде со стороны боковой поверхности из второго примера третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 27 является схемой, изображающей таблицу, в которой собраны проводимости различных типов сред, связанных с передачей электрической энергией, и диэлектрические постоянные.
ФИГ. 28 является схемой модели для проведения симуляций для определения эффекта устройства 6 передачи электрической энергии из третьего примера третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 29 является видом сбоку элемента передачи энергии из третьего примера третьего варианта осуществления данного изобретения.
ФИГ. 30 является видом модели спиральной катушки из третьего примера третьего варианта осуществления данного изобретения при виде со стороны элемента приема энергии.
ФИГ. 31 является видом модели спиральной катушки из третьего примера третьего варианта осуществления данного изобретения при виде со стороны элемента приема энергии.
ФИГ. 32 является видом модели спиральной катушки из третьего примера третьего варианта осуществления данного изобретения при виде со стороны элемента передачи энергии.
ФИГ. 33 является видом модели спиральной катушки из третьего примера третьего варианта осуществления данного изобретения при виде со стороны элемента передачи энергии.
ФИГ. 34 является графиком, изображающим результаты симуляции для определения эффективности передачи электрической энергии для третьего примера третьего варианта осуществления данного изобретения.
Варианты осуществления изобретения
Первый вариант осуществления изобретения
Здесь и далее устройство передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения будет описано со ссылкой на чертежи.
ФИГ. 1 является схемой, изображающей конфигурацию устройства передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления.
На ФИГ. 1 устройство 1 передачи электрической энергии включает элемент 11 передачи энергии и элемент 12 приема энергии. Кроме того, элемент 11 передачи энергии и элемент 12 приема энергии окружены средой 13 с высокой проводимостью. Элемент 11 передачи энергии включает катушку 111 передачи энергии и покрывающий элемент 112 со стороны передачи энергии, состоящий из диэлектрика, сконфигурированного таким образом, чтобы он покрывал катушку 111 передачи энергии. Кроме того, аналогично элементу 11 передачи энергии, элемент 12 приема энергии включает катушку 121 приема энергии и покрывающий элемент 122 со стороны приема энергии. Каждая из катушки 111 передачи энергии и катушки 121 приема энергии получаются путем многократного наматывания проводника, такого как медный провод. Хотя спиралевидная катушка, спиральная катушка или им подобная обычно используется в качестве катушки 111 передачи энергии и катушки 121 приема энергии, данный вариант осуществления этим не ограничен.
Кроме того, здесь элемент передачи энергии и элемент приема энергии в устройстве передачи электрической энергии вместе называются элементом передачи электрической энергии. Кроме того, катушка передачи энергии и катушка приема энергии вместе называются катушкой передачи электрической энергии. Здесь элемент передачи энергии может включать функцию элемента приема энергии, а элемент приема энергии может включать функцию элемента передачи энергии. Кроме того, элемент передачи энергии и элемент приема энергии имеют одинаковую конфигурацию.
Покрывающий элемент 112 со стороны передачи энергии и покрывающий элемент 122 со стороны приема энергии, например, включают диэлектрик, имеющий тангенс угла диэлектрических потерь, равный 0,01 или менее при значении диэлектрической постоянной в интервале порядка от 2 до 10, такой как полиэтилен, полиимид, полиамид, фторсодержащая смола или акрил.
-4
Кроме того, хотя принято, что среда с высокой проводимостью является морской водой в каждом варианте осуществления, данное изобретение этим не ограничено. Например, среда с высокой проводимостью может являться веществом, имеющим значение диэлектрической постоянной более 1 при проводимости, равной 1×10 См/м или меньше, таким как речная, пресная вода, водопроводная вода, почва или бетон, изображенные в таблице на ФИГ. 27.
Здесь эквивалентная схема цепи, когда электрическая энергия, передаваемая беспроводным способом от элемента 11 передачи энергии, распространяется в направлении элемента 12 приема энергии, изображена на ФИГ. 2.
ФИГ. 2 является эквивалентной схемой цепи для электрической энергии, передаваемой беспроводным способом, когда электрическая энергия, передаваемая беспроводным способом, распространяется от элемента 11 передачи энергии в направлении элемента 12 приема энергии.
Элемент 11 передачи энергии и элемент 12 приема энергии также включают элемент 113 регулирования полного сопротивления со стороны передачи энергии и элемент 123 регулирования полного сопротивления со стороны приема энергии, сконфигурированные регулировать полное сопротивление катушки 111 передачи энергии или катушки 121 приема энергии. Здесь полное сопротивление катушки 111 передачи энергии в элементе 11 передачи энергии в основном включает индуктивную составляющую L1 и емкостную составляющую C1, и они определяются формой катушки, числом витков, толщиной медного провода и значением диэлектрической постоянной и размером диэлектрика, составляющего покрывающий элемент 112 со стороны передачи энергии. Аналогично, полное сопротивление катушки 121 приема энергии в элементе 12 приема энергии также включает индуктивную составляющую L2 и емкостную составляющую C2.
Кроме того, в данном документе элемент регулирования полного сопротивления со стороны передачи энергии и элемент регулирования полного сопротивления со стороны приема энергии вместе называются просто элементом регулирования полного сопротивления.
Энергия переменного тока, подаваемая на элемент 11 передачи энергии, передается по эквивалентной цепи, составленной из описанных выше L1, L2, C1 и C2, L3 и C3, и передается к элементу 12 приема энергии. Здесь L3 является индуктивной составляющей взаимной индукции между катушкой 111 передачи энергии и катушкой 121 приема энергии, а C3 является емкостной составляющей, сконфигурированной в элементе 11 передачи энергии, элементе 12 приема энергии и среде 13 с высокой проводимостью.
С точки зрения эффективности передачи во время передачи, важно, достигается ли совпадение полного сопротивления (резонанс) на частоте энергии переменного тока, которую необходимо передать, на пути передачи. Таким образом, как изображено на ФИГ. 2, возможно осуществить регулирование таким образом, чтобы было получено совпадение полного сопротивления при произвольной частоте путем добавления каждой из емкостных составляющих С1′ регулируемой емкости элемента 113 регулирования полного сопротивления со стороны передачи энергии и каждой из емкостных составляющих С2′ регулируемой емкости элемента 123 регулирования полного сопротивления со стороны передачи энергии. Таким образом, даже когда взаимное расположение элемента 11 передачи энергии и элемента 12 приема энергии изменяется в процессе передачи энергии, и происходят отклонения значения С3, можно обеспечивать надежную передачу электрической энергии путем поддержания резонанса, если С1′ и С2′ должным образом компенсируются для данного отклонения.
Варактор (диод с переменной емкостью) может быть применен в изменяемой части емкости, и множество емкостей может быть сконфигурировано для сочетания с транзисторным переключателем.
Здесь в последующем описании сочетание емкостной составляющей, состоящее из емкостной составляющей самой катушки 111 передачи энергии и емкостной составляющей регулируемой емкости, заново обозначается как С1. Она будет описана как емкостная составляющая С1, представляющая полное сопротивление элемента 11 передачи энергии. Аналогично, сочетание емкостной составляющей, состоящее из емкостной составляющей самой катушки 121 приема энергии и емкостной составляющей регулируемой емкости, заново обозначается как С2. Она будет описана как емкостная составляющая С2, представляющая полное сопротивление элемента 12 передачи энергии.
Здесь устройство 1 передачи электрической энергии из первого варианта осуществления может достигать особенно высокой эффективности передачи электрической энергии, когда удовлетворяются предварительно заданные условия для значений емкостной составляющей С1, представляющей полное сопротивление элемента 11 передачи энергии, емкостной составляющей С2, представляющей полное сопротивление элемента 12 приема энергии, емкостной составляющей С3 емкости, сформированной элементом 11 передачи энергии, элементом 12 приема энергии и средой 13 с высокой проводимостью, расположенной между элементом 11 передачи энергии и элементом 12 приема энергии, и значения расстояния d между элементом передачи энергии и элементом приема энергии.
ФИГ. 3 является графиком, изображающим влияние емкостных составляющих элемента 11 передачи энергии и элемента 12 приема энергии и емкостной составляющей, полученной между элементами передачи и приема энергии, на эффективность передачи электрической энергии.
Из графика, изображенного на ФИГ. 3, можно увидеть, что особенно высокая эффективность передачи электрической энергии достигается, когда описанные выше С1 [пФ], C2 [пФ], С3 [пФ] и d [см] удовлетворяют следующему условию.
Математическая формула 1
.
2
2
Кроме того, в соответствии с трехмерными электромагнитными симуляциями, в данном варианте осуществления возможно удовлетворить условию Формулы (1) при условии, что площади катушки 111 передачи энергии и катушки 121 приема энергии будут равны порядка 10 см и 30 см, и расстояние d между элементом передачи энергии и элементом 12 приема энергии будет примерно равно от 5 см до 30 см.
Более того, в первом варианте осуществления возможно получить особенно высокую эффективность передачи электрической энергии, когда отношение размеров катушки 111 передачи энергии и покрывающего элемента 112 со стороны передачи энергии, и отношение размеров катушки 121 приема энергии и покрывающего элемента 122 со стороны приема энергии удовлетворяют предварительно заданным условиям.
ФИГ. 4А является графиком, изображающим влияние внешнего диаметра катушки 111 передачи энергии и отношения размеров покрывающего элемента 112 со стороны передачи энергии на эффективность передачи электрической энергии. В соответствии с ФИГ. 4А возможно получить эффективность передачи электрической энергии, которая, по меньшей мере, на 5% больше 1, что является минимально возможным отношением, путем задания отношения d1/d2, равным 1,2 или более, как отношение размера в направлении вдоль поверхности катушки покрывающего элемента 112 со стороны передачи энергии к внешнему диаметру d2 (ФИГ. 4В) катушки 111 передачи энергии. Более того, когда желательно получить эффективность передачи электрической энергии в 10% или более, предпочтительно, чтобы значение d1/d2 было равно 1,4 или больше.
Кроме того, возможно получить схожие эффекты относительно диаметра катушки 121 приема энергии элемента 12 приема энергии и отношения размеров покрывающего элемента 122 со стороны приема энергии. Более того, если как элемент 11 передачи энергии, так и элемент 12 приема энергии удовлетворяют описанному выше условию, можно добиться большего эффекта.
Далее, работа устройства 1 передачи электрической энергии в соответствии с данным вариантом осуществления будет последовательно описана.
Сначала в элементе 11 передачи энергии источник питания переменного тока (не изображен) выдает энергию переменного тока с предварительно заданной частотой. Далее выданная энергия переменного тока подается на катушку 111 передачи энергии, и катушка 111 передачи энергии передает энергию переменного тока в виде электромагнитной энергии наружу (в среду 13 с высокой проводимостью). Далее элемент 12 приема энергии принимает передаваемую электромагнитную энергию на катушку 121 приема энергии. Здесь элемент 113 регулирования полного сопротивления со стороны передачи энергии и элемент 123 регулирования полного сопротивления со стороны приемы энергии регулируют сочетание полных сопротивлений элемента 11 передачи энергии, элемента 12 приема энергии и среды 13 с высокой проводимостью таким образом, чтобы получался резонанс на той частоте, на которой должна передаваться электрическая энергия. Электрическая энергия, принимаемая катушкой 121 приема энергии подается на конечную нагрузку (например, батарею или ей подобную), и передача электрической энергии завершается.
В устройстве 1 передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления возможно максимизировать электрическую энергию, принимаемую катушкой 121 приема энергии путем создания резонанса сочетания полных сопротивлений элемента 11 передачи энергии, элемента 12 приема энергии и среды 13 с высокой проводимостью. Кроме того, покрывающий элемент 122 со стороны приема предотвращает распространение электрического поля в среду 13 с высокой проводимостью, и, следовательно, присутствует эффект минимизации рассеивания электромагнитной энергии в среде 13 с высокой проводимостью.
ФИГ. 5 является схемой, изображающей вектор электрического поля и вектор магнитного поля в устройстве 1 передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления, а ФИГ. 6 является схемой, изображающей вектор Умова-Пойнтинга (вектор потока энергии), полученный на основании вектора электрического поля и вектора магнитного поля.
Здесь схемы, изображающие результаты симуляций электрического поля и магнитного поля, генерируемых между элементом 11 передачи энергии и элементом 12 приема энергии во время передачи электрической энергии, изображены на ФИГ. 5 и 6. Как изображено на ФИГ. 5, в устройстве 1 передачи электрической энергии из данного варианта осуществления электрическое поле и магнитное поле могут быть практически параллельными поверхности катушки. В результате, как изображено на ФИГ. 6, можно получить практически перпендикулярный вектор Умова-Пойнтинга (вектор потока электромагнитной энергии) от элемента 11 передачи энергии к элементу 12 приема энергии.
Из сказанного выше, в соответствии с устройством 1 передачи электрической энергии, основанном на первом варианте осуществления, возможно минимизировать рассеяние электромагнитной энергии в среде с высокой проводимостью даже когда элемент 11 передачи энергии и элемент 12 передачи энергии расположены на расстоянии друг от друга, и, следовательно, возможна передача на большое расстояние электрической энергии беспроводным способом в среде с высокой проводимостью, такой как морская вода.
Второй вариант осуществления изобретения
ФИГ. 7 является схемой, изображающей конфигурацию устройства передачи электрической энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения.
Далее будет описано устройство передачи электрической энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления со ссылкой на чертежи.
На ФИГ. 7 устройство 2 передачи электрической энергии включает элемент 21 передачи энергии и элемент 22 приема энергии. Кроме того, элемент 21 передачи энергии и элемент 22 приема энергии окружены средой 23 с высокой проводимостью. Элемент 21 передачи энергии включает катушку 211 передачи энергии и первый покрывающий элемент 212 со стороны передачи энергии, состоящий из первого диэлектрика, сконфигурированного таким образом, чтобы покрывать катушку 211 передачи энергии, и также включает второй покрывающий элемент 213 со стороны передачи энергии, состоящий из второго диэлектрика, сконфигурированного таким образом, чтобы покрывать первый покрывающий элемент 212 со стороны передачи энергии. Кроме того, аналогично элементу 21 передачи энергии, элемент 22 приема энергии включает катушку 221 приема энергии, первый покрывающий элемент 222 со стороны приема энергии и второй покрывающий элемент 223 со стороны приема энергии.
Кроме того, в данном документе первый покрывающий элемент со стороны передачи энергии и первый покрывающий элемент со стороны приема энергии вместе называются первым покрывающим элементом, а второй покрывающий элемент со стороны передачи энергии и второй покрывающий элемент со стороны приема энергии вместе называются вторым покрывающим элементом.
Первый покрывающий элемент 212 со стороны передачи энергии, второй покрывающий элемент 213 со стороны передачи энергии, первый покрывающий элемент 222 со стороны приема энергии и второй покрывающий элемент 223 со стороны приема энергии, например, включают диэлектрик, имеющий тангенс угла диэлектрических потерь, равный 0,01 или менее при значении диэлектрической постоянной в интервале порядка от 2 до 10, такой как полиэтилен, полиимид, полиамид, фторсодержащая смола или акрил.
Кроме того, в устройстве 2 передачи электрической энергии из второго варианта осуществления значение диэлектрической постоянной первого диэлектрика, составляющего первый покрывающий элемент 212 со стороны передачи энергии, и значение диэлектрической постоянной второго диэлектрика, составляющего второй покрывающий элемент 213 со стороны передачи энергии, могут отличаться или быть равны. Кроме того, тангенс диэлектрических потерь первого диэлектрика, составляющего первый покрывающий элемент 212 со стороны передачи энергии, и тангенс диэлектрических потерь второго диэлектрика, составляющего второй покрывающий элемент 213 со стороны передачи энергии, могут отличаться или быть равны. То же самое верно и для первого диэлектрика, составляющего первый покрывающий элемент 222 со стороны приема энергии, и второго диэлектрика, составляющего второй покрывающий элемент 223 со стороны приема энергии.
Кроме того, хотя как элемент 21 передачи энергии, так и элемент 22 приема энергии раскрыты как структуры, имеющие первый покрывающий элемент и второй покрывающий элемент на ФИГ. 7, изображающей конфигурацию устройства 2 передачи электрической энергии, также возможно, чтобы только один из элемента 21 передачи энергии и элемента 22 приема энергии имел структуру, имеющую первый покрывающий элемент и второй покрывающий элемент во втором варианте осуществления.
Кроме того, элемент регулирования полного сопротивления, описанный для первого варианта осуществления, может быть также обеспечен в устройстве 2 передачи электрической энергии из данного варианта осуществления.
Здесь, в устройстве 2 передачи электрической энергии из второго варианта осуществления возможно получить большую эффективность передачи электрической энергии, когда тангенсы углов диэлектрических потерь диэлектриков, составляющих первый покрывающий элемент 212 со стороны передачи энергии и второй покрывающий элемент 213 со стороны передачи энергии удовлетворяют предварительно заданным условиям.
ФИГ. 8 является графиком, изображающим влияние отношения между тангенсом угла диэлектрических потерь первого диэлектрика и тангенсом угла диэлектрических потерь второго диэлектрика на эффективность передачи электрической энергии.
Как изображено на ФИГ. 8, можно увидеть, что большая эффективность передачи электрической энергии получается путем задания тангенса угла диэлектрических потерь второго диэлектрика большим, чем тангенс угла диэлектрических потерь первого диэлектрика. Это делает возможным добиться эффекта предотвращения выхода электрического поля в среду 23 с высокой проводимостью с помощью второго диэлектрика, составляющего второй покрывающий элемент 213 со стороны передачи энергии (второй покрывающий элемент 223 со стороны приема энергии), и основано на эффекте уменьшения диэлектрических потерь вблизи катушки 211 передачи энергии (катушки 221 приема энергии) за счет тангенса диэлектрических потерь первого диэлектрика, составляющего первый покрывающий элемент 212 со стороны передачи энергии (первый покрывающий элемент 222 со стороны приема энергии).
Кроме того, в устройстве 2 передачи электрической энергии из второго варианта осуществления также возможно получить большую эффективность передачи электрической энергии, когда диэлектрические постоянные диэлектриков, составляющих первый покрывающий элемент 212 со стороны передачи и второй покрывающий элемент 213 со стороны передачи, удовлетворяют предварительно заданным условиям.
ФИГ. 9 является графиком, изображающим влияние значения диэлектрической постоянной первого диэлектрика и значения диэлектрической постоянной второго диэлектрика на эффективность передачи электрической энергии.
Как изображено на ФИГ. 9, можно увидеть, что более высокая эффективность передачи электрической энергии получается путем задачи значения диэлектрической постоянной второго диэлектрика большим, чем значение диэлектрической постоянной первого диэлектрика.
Далее, работа устройства 2 передачи электрической энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления будет последовательно описана.
Сначала в элементе 21 передачи энергии источник питания переменного тока (не изображен) выдает энергию переменного тока с предварительно заданной частотой. Далее выданная энергия переменного тока подается на катушку 211 передачи энергии, и катушка 211 передачи энергии передает энергию переменного тока в виде электромагнитной энергии наружу (в среду 23 с высокой проводимостью). Далее элемент 22 приема энергии принимает передаваемую электромагнитную энергию на катушку 221 приема энергии. Здесь сочетание полных сопротивлений элемента 21 передачи энергии, элемента 22 приема энергии и среды 23 с высокой проводимостью регулируется таким образом, чтобы получался резонанс на той частоте, на которой должна передаваться электрическая энергия. Электрическая энергия, принимаемая катушкой 221 приема энергии, подается на конечную нагрузку (например, батарею или ей подобную), и передача электрической энергии завершается.
В устройстве 2 передачи электрической энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления возможно максимизировать электрическую энергию, принимаемую катушкой 221 приема энергии путем создания резонанса сочетания полных сопротивлений элемента 21 передачи энергии, элемента 22 приема энергии и среды 23 с высокой проводимостью.
Кроме того, второй покрывающий элемент 213 со стороны передачи энергии и второй покрывающий элемент 223 со стороны приема энергии предотвращают распространение электрического поля в среду 23 с высокой проводимостью, и, следовательно, присутствует эффект минимизации рассеивания электромагнитной энергии в среде 23 с высокой проводимостью.
Таким образом, присутствует эффект, при котором первый покрывающий элемент 212 со стороны передачи энергии и первый покрывающий элемент 222 со стороны приема энергии уменьшают диэлектрические потери вблизи катушки 211 передачи энергии и катушки 221 приема энергии.
Как было показано выше, устройство 2 передачи электрической энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления позволяет достичь более высокой эффективности передачи электрической энергии по сравнению с устройством 1 передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления.
Третий вариант осуществления изобретения
ФИГ. 10 является схемой, изображающей конфигурацию устройства передачи электрической энергии в соответствии с третьим вариантом осуществления данного изобретения.
Далее будет описано устройство передачи электрической энергии в соответствии с третьим вариантом осуществления со ссылкой на чертежи.
На ФИГ. 10 устройство 3 передачи электрической энергии включает элемент 31 передачи энергии и элемент 32 приема энергии. Кроме того, элемент 31 передачи энергии и элемент 32 приема энергии окружены средой 33 с высокой проводимостью. Элемент 31 передачи энергии включает катушку 311 передачи энергии и первый покрывающий элемент 312 со стороны передачи энергии, состоящий из первого диэлектрика, сконфигурированного таким образом, чтобы покрывать катушку 311 передачи энергии, второй покрывающий элемент 313 со стороны передачи энергии, состоящий из второго диэлектрика, сконфигурированного таким образом, чтобы покрывать первый покрывающий элемент 312 со стороны передачи энергии, и третий покрывающий элемент 314 со стороны передачи энергии, состоящий из третьего диэлектрика, сконфигурированного таким образом, чтобы покрывать второй покрывающий элемент 313 со стороны передачи энергии. Кроме того, аналогично элементу 31 передачи энергии, элемент 32 приема энергии включает катушку 321 приема энергии, первый покрывающий элемент 222 со стороны приема энергии, второй покрывающий элемент 323 со стороны приема энергии и третий покрывающий элемент 324 со стороны приема энергии.
Кроме того, в данном документе третий покрывающий элемент со стороны передачи энергии и третий покрывающий элемент со стороны приема энергии вместе называются третьим покрывающим элементом.
Первый покрывающий элемент 312 со стороны передачи энергии, третий покрывающий элемент 314 со стороны передачи энергии, первый покрывающий элемент 322 со стороны приема энергии и третий покрывающий элемент 324 со стороны приема энергии, например, включают диэлектрик, имеющий тангенс угла диэлектрических потерь, равный 0,01 или менее при значении диэлектрической постоянной в интервале порядка от 2 до 10, такой как полиэтилен, полиимид, полиамид, фторсодержащая смола или акрил.
Кроме того, второй покрывающий элемент 313 со стороны передачи энергии и второй покрывающий элемент 323 со стороны приема энергии состоят из жидкости (например, чистой воды или дистиллированной воды), имеющей тот же удельный вес, что и среда 33 с высокой проводимостью (морская вода), и имеющей меньшую проводимость. Таким образом, второй покрывающий элемент 313 со стороны передачи энергии и второй покрывающий элемент 323 со стороны приема энергии могут обеспечить нейтральную плавучесть в среде 33 с высокой проводимостью (морской воде). Если второй покрывающий элемент 313 со стороны передачи энергии или второй покрывающий элемент 323 со стороны приема энергии могут обеспечить нейтральную плавучесть, может быть достигнуто снижение стоимости, так как нет необходимости обеспечивать специальный механизм для регулирования удельного веса, например, когда устройство 3 передачи электрической энергии всплывает или тонет в морской воде.
Кроме того, третий покрывающий элемент 314 со стороны приема энергии и третий покрывающий элемент 324 со стороны передачи энергии, составленные из третьего диэлектрика, физически ограничивают второй покрывающий элемент 313 со стороны передачи энергии и второй покрывающий элемент 323 со стороны приема энергии, которые являются жидкостями.
Кроме того, в устройстве 3 передачи электрической энергии из третьего варианта осуществления значение диэлектрической постоянной первого диэлектрика, составляющего первый покрывающий элемент 312 со стороны передачи энергии, значение диэлектрической постоянной второго диэлектрика, составляющего второй покрывающий элемент 313 со стороны передачи энергии, и значение диэлектрической постоянной третьего диэлектрика, составляющего третий покрывающий элемент 314 со стороны передачи энергии, могут отличаться или быть равны. Кроме того, тангенс диэлектрических потерь первого диэлектрика, составляющего первый покрывающий элемент 312 со стороны передачи энергии, тангенс диэлектрических потерь второго диэлектрика, составляющего второй покрывающий элемент 313 со стороны передачи энергии, и тангенс диэлектрических потерь третьего диэлектрика, составляющего третий покрывающий элемент 314 со стороны передачи энергии, могут отличаться или быть равны. То же самое верно и для первого диэлектрика, составляющего первый покрывающий элемент 322 со стороны приема энергии, второго диэлектрика, составляющего второй покрывающий элемент 323 со стороны приема энергии, и третьего диэлектрика, составляющего третий покрывающий элемент 324 со стороны приема энергии.
Кроме того, хотя как элемент 31 передачи энергии, так и элемент 32 приема энергии раскрыты как структуры, имеющие первый покрывающий элемент, второй покрывающий элемент и третий покрывающий элемент на ФИГ. 10, изображающей конфигурацию устройства 3 передачи электрической энергии, также возможно, чтобы только один из элемента 31 передачи энергии и элемента 32 приема энергии имел структуру, имеющую первый покрывающий элемент, второй покрывающий элемент и третий покрывающий элемент в данном варианте осуществления.
Кроме того, элемент регулирования полного сопротивления, описанный для первого варианта осуществления, может быть также обеспечен в устройстве 3 передачи электрической энергии в соответствии с третьим вариантом осуществления.
Далее, работа устройства 3 передачи электрической энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления будет последовательно описана.
Сначала в элементе 31 передачи энергии источник питания переменного тока (не изображен) выдает энергию переменного тока с предварительно заданной частотой. Далее выданная энергия переменного тока подается на катушку 311 передачи энергии, и катушка 311 передачи энергии передает энергию переменного тока в виде электромагнитной энергии наружу (в среду 33 с высокой проводимостью). Далее элемент 32 приема энергии принимает передаваемую электромагнитную энергию на катушку 321 приема энергии. Здесь сочетание полных сопротивлений элемента 31 передачи энергии, элемента 32 приема энергии и среды 33 с высокой проводимостью регулируется таким образом, чтобы получался резонанс на той частоте, на которой должна передаваться электрическая энергия. Электрическая энергия, принимаемая катушкой 321 приема энергии подается на конечную нагрузку (например, батарею или ей подобную), и передача электрической энергии завершается.
В устройстве 3 передачи электрической энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления возможно максимизировать электрическую энергию, принимаемую катушкой 321 приема энергии путем создания резонанса сочетания полных сопротивлений элемента 31 передачи энергии, элемента 32 приема энергии и среды 33 с высокой проводимостью.
Кроме того, второй покрывающий элемент 313 со стороны передачи энергии и второй покрывающий элемент 323 со стороны приема энергии предотвращают распространение электрического поля в среду 33 с высокой проводимостью, и, следовательно, присутствует эффект минимизации рассеивания электромагнитной энергии в среде 33 с высокой проводимостью.
Таким образом, присутствует эффект, при котором первый покрывающий элемент 312 со стороны передачи энергии и первый покрывающий элемент 222 со стороны приема энергии уменьшают диэлектрические потери вблизи катушки 311 передачи энергии и катушки 321 приема энергии.
Кроме того, благодаря тому, что третий покрывающий элемент 314 со стороны передачи энергии и третий покрывающий элемент 324 со стороны приема энергии обеспечены в устройстве 3 передачи электрической энергии в соответствии с третьим вариантом осуществления, возможно применение жидкости (например, чистой воды или дистиллированной воды), имеющей тот же удельный вес, что и среда 33 с высокой проводимостью (морская вода), и имеющей меньшую проводимость, во втором покрывающем элементе 313 со стороны передачи энергии и во втором покрывающем элементе 323 со стороны приема энергии. Таким образом, элемент 31 передачи энергии и элемент 32 приема энергии могут применять второй покрывающий элемент 313 со стороны передачи энергии и второй покрывающий элемент 323 со стороны приема энергии для обеспечения нейтральной плавучести.
Как было показано выше, устройство 3 передачи электрической энергии в соответствии с третьим вариантом осуществления может быть реализовано с меньшими затратами по сравнению с устройством 1 передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления и с устройством 2 передачи электрической энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления, так как нет необходимости обеспечивать отдельный механизм регулирования удельного веса.
Пример 1
Далее, первый пример третьего варианта осуществления изображен на ФИГ. 11.
На ФИГ. 11 элемент 11 передачи энергии устройства 1 передачи электрической энергии представлен источником 14 питания электрической энергией, а элемент 12 приема энергии представлен подводной лодкой 15. Даже при перемещении, связанном с приливом и отливом, и при отклонении положения источника 14 питания электрической энергией относительно подводной лодки 15, возможно надежно передавать электрическую энергию, применяя данное изобретение.
Пример 2
Кроме того, второй пример третьего варианта осуществления изображен на ФИГ. 12.
На ФИГ. 12 элемент 11 передачи энергии устройства 1 передачи электрической энергии представлен подводной лодкой 16, а элемент 12 приема энергии представлен подводной лодкой 17. Даже при перемещении, связанном с приливом и отливом, и при отклонении положения подводной лодки 16 относительно подводной лодки 17, возможно надежно передавать электрическую энергию, применяя данное изобретение.
Более того, подводные лодки 16 и 17 могут передавать электрическую энергию в обоих направлениях, применяя элемент 11 передачи энергии в качестве элемента приема энергии, и применяя элемент 12 приема энергии в качестве элемента передачи энергии. Как вариант, подводные лодки 16 и 17 могут быть обеспечены как элементом 11 передачи энергии, так и элементом 12 приема энергии.
Кроме того, подводная лодка 17, включающая элемент 12 приема энергии, может являться устройством-датчиком или ему подобным, расположенным на корабле или под поверхностью моря.
Пример 3
Далее, третий пример третьего варианта осуществления изображен на ФИГ. 13.
Элемент 11 передачи энергии представлен в виде соединительной части силового кабеля 18, а элемент 12 приема энергии представлен в виде соединительной части силового кабеля 19. Применяя данное изобретение, даже в морской воде путем беспроводной передачи электрической энергии может быть обеспечено соединение бесконтактного типа между кабелями, что упрощает замену силового кабеля, и в отсутствие трения надежность также увеличивается.
Кроме того, силовой кабель 18 и силовой кабель 19 могут передавать электрическую энергию в обоих направлениях, применяя элемент 11 передачи энергии в качестве элемента приема энергии, и применяя элемент 12 приема энергии в качестве элемента передачи энергии. Кроме того, описанный выше силовой кабель 18 и описанный выше силовой кабель 19 могут быть обеспечены как элементом 11 передачи энергии, так и элементом 12 приема энергии.
Кроме того, может быть установлена функция передачи информации беспроводным способом для элемента 11 передачи энергии и элемента 12 приема энергии. Так как нет необходимости отдельно обеспечивать механизм беспроводной коммуникации, применяя элемент 11 передачи энергии в качестве передатчика, и применяя элемент 12 приема энергии в качестве приемника, возможно реализовать систему при малой стоимости и малого размера.
Пример 4
ФИГ. 14 является схемой модели для проведения симуляций для определения эффекта устройства 4 передачи электрической энергии в соответствии с третьим вариантом осуществления.
Как первый пример третьего варианта осуществления данного изобретения, модель для проведения симуляций, определяющая его эффект, будет описана со ссылкой на ФИГ. 14.
На ФИГ. 14 устройство 4 передачи электрической энергии включает элемент 41 передачи энергии и элемент 42 приема энергии. Кроме того, элемент 41 передачи энергии и элемент 42 приема энергии окружены средой с высокой проводимостью, а именно, морской водой 43. Описанный выше элемент 41 передачи энергии включает спиральную катушку 411 (катушку передачи энергии), внутренний диэлектрик 412 (первый покрывающий элемент со стороны передачи энергии), внешний диэлектрик 413 (второй покрывающий элемент со стороны передачи энергии) и покрывающий диэлектрик 414 (третий покрывающий элемент со стороны передачи энергии). Описанный выше элемент 42 приема энергии включает спиральную катушку 421 (катушку приема энергии), внутренний диэлектрик 422 (первый покрывающий элемент со стороны приема энергии), внешний диэлектрик 423 (второй покрывающий элемент со стороны приема энергии) и покрывающий диэлектрик 424 (третий покрывающий элемент со стороны приема энергии).
ФИГ. 15 является схематическим видом сверху элемента 41 передачи энергии из первого примера третьего варианта осуществления.
Спиральная катушка 411, изображенная на ФИГ. 15 имеет структуру, в которой две однослойные катушки, каждая из которых сформирована путем наматывания проводящего провода, имеющего диаметр 2 мм, 29 раз с внешним диаметром 220 мм и внутренним диаметром 100 мм, разделены расстоянием в 3 мм и направлены друг на друга.
Энергия переменного тока подается от разъема подачи энергии на эти противоположные спиральные катушки. Внутренний диэлектрик 412 сформирован из фторсодержащей смолы, а покрывающий диэлектрик 414 сформирован из акрила. Размеры покрывающего диэлектрика 414 следующие: длина равна 255 мм, ширина равна 255 мм, а высота равна 19 мм. Частота резонанса описанного выше устройства 4 передачи электрической энергии равна 1 МГц. Здесь в данном примере, даже когда отношение d1/d2 между значением d2 внешнего диаметра спиральной катушки и размером d1 покрывающего диэлектрика равно 1,16, что больше 1, уже достигается высокая эффективность передачи электрической энергии. Тем не менее, если отношение d1/d2 больше 1,16, достигается еще большая эффективность передачи электрической энергии.
Элемент 42 приема энергии имеет ту же конфигурацию, что и элемент 41 передачи энергии. Тем не менее, изображенная здесь конфигурация является примером, и схожие эффекты достигаются, даже когда элемент 41 передачи энергии и элемент 42 приема энергии не имеют той же конфигурации.
ФИГ. 16 является графиком, изображающим результаты симуляций для определения эффективности передачи электрической энергии для первого примера третьего варианта осуществления.
Путем задания расстояния d между элементом 41 передачи энергии и элементом 42 приема энергии, равным 10 см, и симуляции с целью проверки эффективности передачи электрической энергии в морской воде, возможно получить высокую эффективность передачи электрической энергии, равную 40% или более, когда частота f электрической энергии, которую необходимо передать, находится вблизи значения 1 МГц, как изображено на ФИГ. 16.
ФИГ. 17А и 17В являются видами, изображающими векторы электрического поля вблизи от элемента 41 передачи энергии и элемента 42 приема энергии для первого примера третьего варианта осуществления, а ФИГ. 18А и 18В являются видами, изображающими векторы магнитного поля вблизи элемента 41 передачи энергии и элемента 42 приема энергии для первого примера третьего варианта осуществления. ФИГ. 19А и 19В являются видами, изображающими векторы Умова-Пойнтинга вблизи элемента 41 передачи энергии и элемента 42 приема энергии для данного варианта осуществления.
Результаты, полученные путем проведения детальных трехмерных симуляций электромагнитного поля для электрического поля, магнитного поля и вектора Умова-Пойнтинга для устройства 4 передачи электрической энергии в соответствии с описанным выше примером будут описаны со ссылкой на ФИГ. с 17А по 19В.
В первом примере третьего варианта осуществления поток электрического поля вращается вдоль поверхности, параллельной поверхности катушки, как изображено на ФИГ. 17А и 18А, а поток магнитного поля генерируется радиально вдоль поверхности, параллельной поверхности катушки, как изображено на ФИГ. 18А и 18В. На основании потоков электрического поля и магнитного поля, получается вектор Умова-Пойнтинга (вектор потока энергии), практически перпендикулярный поверхности катушки (ФИГ. 19А и 19В). В результате, даже в морской воде, в которой расстояние между элементом 41 передачи энергии и элементом 42 приема энергии составляет порядка 10 см, поток энергии формируется в направлении, практически перпендикулярном поверхности катушки, и возможна передача энергии на дальнее расстояние в морской воде.
ФИГ. 20А и 20В являются видами, изображающими векторы Умова-Пойнтинга устройства 4 передачи электрической энергии в соответствии с первым примером третьего изобретения в воздухе.
Результаты, полученные путем симуляции для элемента 41 передачи энергии и элемента 42 приема энергии устройства 4 передачи электрической энергии в соответствии с данным вариантом осуществления, разделенных расстоянием в 10 см, будут описаны со ссылкой на ФИГ. 20А и 20В.
Как изображено на ФИГ. 20А и 20В, потока энергии, перпендикулярного поверхности элементов передачи/приема энергии не образуется, и энергия образует поток, который имеет форму спирали. То есть, феномен, при котором возникает поток энергии, практически перпендикулярный поверхности катушки, является феноменом исключительно для энергии, распространяющейся в среде с высокой проводимостью, и является феноменом, который не происходит, когда энергия распространяется по воздуху. То есть, данное изобретение применяет уникальный феномен, при котором возникает поток энергии, практически перпендикулярный поверхности катушки.
ФИГ. 21А и 21В являются видами, изображающими векторы Умова-Пойнтинга в воздухе, когда применяется традиционная технология резонанса магнитного поля.
Далее будут описаны результаты, полученные проведением симуляций в воздухе с применением традиционной технологии электромагнитного резонанса, со ссылкой на ФИГ. 21А и 21В.
Как изображено на ФИГ. 21А и 21В, даже в данном случае не возникает поток энергии, перпендикулярный поверхности элементов передачи/приема энергии, и энергия имеет поток, который имеет форму спирали, как на ФИГ. 20А и 20В. В данном случае эффективность передачи электрической энергии равна 90%. Кроме того, как уже было описано, высокая эффективность передачи электрической энергии не достигается даже при попытке передачи электрической энергии беспроводным способом в морской воде с применением устройства передачи электрической энергии в соответствии с традиционной технологией. Из результатов симуляций можно увидеть, что достигается эффективность передачи электрической энергии только порядка 10% при расстоянии в 10 см.
ФИГ. 18А и 18В изображают состояния магнитных полей в условиях, при которых сцепляющие магнитные потоки, проходящие через спиральную катушку 411 и спиральную катушку 421 элемента 41 передачи энергии и элемента 42 передачи энергии, максимизируют.
Физическое отличие между традиционной технологией магнитного резонанса и устройством 4 передачи электрической энергии в соответствии с первым примером третьего варианта осуществления будет описано со ссылкой на ФИГ. 18А и 18В.
Как изображено на ФИГ. 18А и 18В, сцепляющий магнитный поток, проходящий через спиральную катушку 411 элемента 41 передачи энергии, и сцепляющий магнитный поток, проходящий через спиральную катушку 421 элемента 42 приема энергии, направлены в направлениях, противоположных друг другу, таким образом, что магнитный поток максимален, и образуется магнитное поле, параллельное поверхности катушки.
С другой стороны, в технологии беспроводной передачи электрической энергии с применением электромагнитного резонанса, резонансная частота делится на две части в случае близкого соединения, и известно, что сцепляющие магнитные потоки, проходящие через катушки элемента передачи энергии и элемента приема энергии, находятся в противофазе при большей резонансной частоте. Кроме того, в той же самой технологии в случае плотного соединения, при котором резонансная частота не разделяется, известно, что сцепляющие магнитные потоки, проходящие через катушки элемента передачи энергии и элемента приема энергии, софазны.
Данное изобретение фундаментально отличается от традиционной технологии электромагнитного резонанса тем, что сцепляющие магнитные потоки, проходящие через антенные катушки элемента приема энергии и элемента передачи энергии, находятся в противофазе в случае слабого соединения, при котором резонансная частота не разделяется, а не в случае близкого соединения.
Пример 5
ФИГ. 22 является схемой модели для проведения симуляций для определения эффекта устройства 5 передачи электрической энергии в соответствии с третьим вариантом осуществления.
Далее будут описаны результаты симуляций, полученные путем определения эффекта второго примера третьего варианта осуществления данного изобретения, со ссылкой на ФИГ. 22.
На ФИГ. 22 устройство 5 передачи электрической энергии включает элемент 51 передачи энергии и элемент 52 приема энергии. Кроме того, элемент 51 передачи энергии и элемент 52 приема энергии окружены средой с высокой проводимостью, а именно, морской водой 53. Описанный выше элемент 51 передачи энергии включает спиральную катушку 5111, петлевую катушку 5112, внутренний диэлектрик 512 (первый покрывающий элемент со стороны передачи энергии), внешний диэлектрик 513 (второй покрывающий элемент со стороны передачи энергии) и покрывающий диэлектрик 514 (третий покрывающий элемент со стороны передачи энергии). Описанный выше элемент 52 приема энергии включает спиральную катушку 5211, петлевую катушку 5212, внутренний диэлектрик 522 (первый покрывающий элемент со стороны приема энергии), внешний диэлектрик 523 (второй покрывающий элемент со стороны приема энергии) и покрывающий диэлектрик 524 (третий покрывающий элемент со стороны приема энергии).
ФИГ. 23 и 24 являются схемами модели спиральной катушки 5111 (спиральной катушки 5211) при рассмотрении со стороны верхней поверхности и боковой поверхности из второго примера третьего варианта осуществления, соответственно.
Спиральная катушка 5111 включает диэлектрическую подложку 5113, сформированную из фторсодержащей смолы, и спиральную обмотку 5114, сформированную из металлических проводов. Диэлектрическая подложка 5113 сконфигурирована иметь толщину 1 мм, длину 270 мм и ширину 270 мм. Спиральная обмотка 5114 сконфигурирована иметь длину 260 мм, ширину 260 мм, ширину провода 6 мм, толщину 50 мкм и 10 витков.
ФИГ. 25 и 26 являются схемами модели петлевой катушки 5112 (петлевой катушки 5212) при рассмотрении со стороны верхней поверхности и боковой поверхности из второго примера третьего варианта осуществления, соответственно.
Петлевая катушка 5112 включает диэлектрическую подложку 5115, сформированную из фторсодержащей смолы, и петлевую обмотку 5116, сформированную из металлических проводов. Диэлектрическая подложка 5115 сконфигурирована иметь толщину 1 мм, длину 270 мм и ширину 270 мм. Спиральная обмотка 5116 сконфигурирована иметь длину 260 мм, ширину 260 мм, ширину провода 6 мм и толщину 50 мкм.
Оставлено расстояние в 3 мм между спиральной катушкой 5111 и петлевой катушкой 5112 внутри внутреннего диэлектрика 512. Была получена высокая эффективность передачи электрической энергии, равная 55% или более при симуляции описанного выше элемента 51 передачи энергии и описанного выше элемента 52 приема энергии, разделенных расстоянием в 10 см в морской воде. Кроме того, резонансная частота равна порядка 1 МГц.
В данном примере элемент 52 приема энергии имеет ту же конфигурацию, что и элемент 51 передачи энергии. Тем не менее, конфигурация, изображенная здесь, является примером, и аналогичный эффект достигается, когда элемент 51 передачи энергии и элемент 52 приема энергии не имеют такой же конфигурации.
Как и во втором примере третьего варианта осуществления, общая производительность увеличена путем формирования катушки на диэлектрической подложке, точность изготовления высока, отклонения характеристик для каждого отдельного устройства могут быть уменьшены. Таким образом, возможно сделать резонансные частоты элемента передачи энергии и элемента приема энергии одинаковыми, и получить более высокую эффективность передачи электрической энергии.
Пример 6
ФИГ. 28 является схемой модели для проведения симуляций для определения эффекта устройства 6 передачи электрической энергии в соответствии с третьим вариантом осуществления.
Далее будут описаны результаты симуляций, полученные путем определения эффекта второго примера третьего варианта осуществления данного изобретения, со ссылкой на ФИГ. 28.
На ФИГ. 28 устройство 6 передачи электрической энергии включает элемент 61 передачи энергии и элемент 62 приема энергии. Кроме того, элемент 61 передачи энергии и элемент 62 приема энергии окружены средой 63 с высокой проводимостью. Элемент 61 передачи энергии включает катушку передачи энергии, состоящую из спиральной катушки 6111 и спиральной катушки 6112, первый покрывающий элемент 612 со стороны передачи энергии, состоящий из первого диэлектрика, сконфигурированного таким образом, чтобы покрывать катушку передачи энергии, второй покрывающий элемент 613 со стороны передачи энергии, состоящий из второго диэлектрика, сконфигурированного таким образом, чтобы покрывать первый покрывающий элемент 612 со стороны передачи энергии, и третий покрывающий элемент 614 со стороны передачи энергии, состоящий из третьего диэлектрика, сконфигурированного таким образом, чтобы покрывать второй покрывающий элемент 613 со стороны передачи энергии. Кроме того, аналогично элементу 61 передачи энергии, элемент 62 приема энергии включает катушку приема энергии, состоящую из спиральной катушки 6211 и спиральной катушки 6212, первый покрывающий элемент 622 со стороны приема энергии, второй покрывающий элемент 623 со стороны приема энергии и третий покрывающий элемент 624 со стороны приема энергии.
Здесь модель для симуляции из третьего примера третьего варианта осуществления имеет структуру, при которой второй покрывающий элемент 613 со стороны передачи энергии (второй покрывающий элемент 623 со стороны приема энергии) покрывает только верхнюю поверхность и нижнюю поверхность (поверхность, параллельную поверхности катушки) первого покрывающего элемента 612 со стороны передачи энергии (первого покрывающего элемента 622 со стороны приема энергии), как изображено на ФИГ. 28. То есть, первый покрывающий элемент 612 со стороны передачи энергии (первый покрывающий элемент 622 со стороны приема энергии) вводится во второй покрывающий элемент 613 со стороны передачи энергии (второй покрывающий элемент 623 со стороны приема энергии). С другой стороны, боковая поверхность (поверхность, перпендикулярная поверхности катушки) первого покрывающего элемента 612 со стороны передачи энергии (первого покрывающего элемента 622 со стороны приема энергии) имеет структуру, непосредственно покрытую третьим покрывающим элементом 614 со стороны передачи энергии (третьим покрывающим элементом 624 со стороны приема энергии).
ФИГ. 29 является схемой модели элемента 61 передачи энергии при рассмотрении со стороны боковой поверхности из третьего примера третьего варианта осуществления.
Первый покрывающий элемент 612 со стороны передачи энергии сформирован из двух фторсодержащих смол, каждая из которых имеет длину 250 мм, ширину 250 мм и высоту 4,5 мм. Значение диэлектрической постоянной равно 10,2, а тангенс угла диэлектрических потерь равен 0,0023.
Кроме того, второй покрывающий элемент 613 со стороны передачи энергии сформирован из двух фторсодержащих смол, каждая из которых имеет длину 250 мм, ширину 250 мм и высоту 6 мм. Значение диэлектрической постоянной равно 6,2, а тангенс угла диэлектрических потерь равен 0,0019.
Кроме того, третий покрывающий элемент 614 со стороны передачи энергии сформирован из акрила, имеющего длину 260 мм, ширину 260 мм и толщину 5 мм. Значение диэлектрической постоянной равно 3,3, а тангенс угла диэлектрических потерь равен 0,04.
Кроме того, в третьем примере третьего варианта осуществления элемент 62 приема энергии был также симулирован в той же конфигурации, что и описанный выше элемент 61 передачи энергии.
ФИГ. 30 и 31 являются видами моделей спиральных катушек 6111 и 6112 элемента 61 передачи энергии из третьего примера третьего варианта осуществления при рассмотрении со стороны элемента приема энергии, соответственно.
Спиральная катушка 6111 состоит из обмотки, сформированной из 50 витков проводника, имеющего внешнюю периферию, равную 208 мм. Диаметр проводов равен 1 мм, и интервал намотки равен 1 мм. Спиральная катушка 6112 имеет тот же размер, что и спиральная катушка 6111. Спиральная катушка 6111 и спиральная катушка 6112 расположены отдельно друг от друга на расстоянии 0,5 мм. Концевая часть дальней периферии спиральной катушки 6111 и концевая часть дальней периферии спиральной катушки 6112 служат в качестве разъемов подачи электрической энергии высокой частоты. Направление спирали спиральной катушки 6111 и направление спирали спиральной катушки 6112 сконфигурированы так, чтобы они были направлениями, в которых генерируется магнитное поле в одном направлении через разъемы подачи энергии.
ФИГ. 32 и 33 являются видами моделей спиральных катушек 6211 и 6212 элемента 62 приема энергии из третьего примера третьего варианта осуществления при рассмотрении со стороны элемента приема энергии, соответственно.
Спиральная катушка 6211 состоит из обмотки, сформированной из 50 витков проводника, имеющего внешнюю периферию, равную 208 мм. Диаметр проводов равен 1 мм, и интервал намотки равен 1 мм. Спиральная катушка 6212 имеет тот же размер, что и спиральная катушка 6211. Спиральная катушка 6211 и спиральная катушка 6212 расположены отдельно друг от друга на расстоянии 0,5 мм. Концевая часть дальней периферии спиральной катушки 6211 и концевая часть дальней периферии спиральной катушки 6212 служат в качестве разъемов подачи электрической энергии высокой частоты. Направление спирали спиральной катушки 6211 и направление спирали спиральной катушки 6212 сконфигурированы так, чтобы они были направлениями, в которых генерируется магнитное поле в одном направлении через разъемы подачи энергии.
Высокая эффективность передачи электрической энергии, равная 72% или более, была достигнута путем симуляции описанного выше элемента 61 передачи энергии и описанного выше элемента 62 приема энергии, разделенных расстоянием в 10 см в морской воде, как изображено на ФИГ. 34. Кроме того, резонансная частота равна порядка 140 МГц.
В третьем примере третьего варианта осуществления элемент 62 приема энергии имеет ту же конфигурацию, что и элемент 61 передачи энергии. Тем не менее, изображенная здесь конфигурация является примером, и схожий эффект достигается, даже когда элемент 61 передачи энергии и элемент 62 приема энергии не имеют той же конфигурации.
Путем конфигурирования множества диэлектриков таким образом, чтобы они покрывали катушку как указано в симуляциях в соответствии с третьим примером третьего варианта осуществления, могут быть получены высокочастотные волны без увеличения потерь внутри диэлектриков, и достигается высокая эффективность передачи электрической энергии.
Испрашивается приоритет по японской патентной заявке No. 2012-191649, поданной 31 августа, 2012, содержание которой включено сюда в качестве ссылки.
Промышленная применимость
Устройство передачи электрической энергии, способное увеличить расстояние беспроводной передачи электрической энергии в среде с высокой проводимостью, такой как морская вода, может быть предоставлено.
Перечень ссылочных позиций
1
Устройство передачи электрической энергии
11
Элемент передачи энергии
111
Катушка передачи энергии
112
Покрывающий элемент со стороны передачи энергии
113
Элемент регулирования полного сопротивления со стороны передачи энергии
12
Элемент приема энергии
121
Катушка приема энергии
122
Покрывающий элемент со стороны приема энергии
123
Элемент регулирования полного сопротивления со стороны приема энергии
13
Среда с высокой проводимостью
14
Источник питания электрической энергией
15
Подводная лодка
16
Подводная лодка
17
Подводная лодка
18
Силовой кабель
19
Силовой кабель
2
Устройство передачи электрической энергии
21
Элемент передачи энергии
211
Катушка передачи энергии
212
Первый покрывающий элемент со стороны передачи энергии
213
Второй покрывающий элемент со стороны передачи энергии
22
Элемент приема энергии
221
Катушка приема энергии
222
Первый покрывающий элемент со стороны приема энергии
223
Второй покрывающий элемент со стороны приема энергии
23
Среда с высокой проводимостью
3
Устройство передачи электрической энергии
31
Элемент передачи энергии
311
Катушка передачи энергии
312
Первый покрывающий элемент со стороны передачи энергии
313
Второй покрывающий элемент со стороны передачи энергии
314
Третий покрывающий элемент со стороны передачи энергии
32
Элемент приема энергии
321
Катушка приема энергии
322
Первый покрывающий элемент со стороны приема энергии
323
Второй покрывающий элемент со стороны приема энергии
324
Третий покрывающий элемент со стороны приема энергии
33
Среда с высокой проводимостью
4
Устройство передачи электрической энергии
41
Элемент передачи энергии
411
Спиральная катушка
421
Спиральная катушка
412
Внутренний диэлектрик
422
Внутренний диэлектрик
413
Внешний диэлектрик
423
Внешний диэлектрик
414
Покрывающий диэлектрик
424
Покрывающий диэлектрик
42
Элемент приема энергии
43
Морская вода
5
Устройство передачи электрической энергии
51
Элемент передачи энергии
5111
Спиральная катушка
5211
Спиральная катушка
5112
Петлевая катушка
5212
Петлевая катушка
5113
Диэлектрическая подложка
5114
Спиральная обмотка
5115
Диэлектрическая подложка
5116
Петлевая обмотка
512
Внутренний диэлектрик
522
Внутренний диэлектрик
513
Внешний диэлектрик
523
Внешний диэлектрик
514
Покрывающий диэлектрик
524
Покрывающий диэлектрик
52
Элемент приема энергии
53
Морская вода
6
Устройство передачи электрической энергии
61
Элемент передачи энергии
6111
Спиральная катушка
6112
Спиральная катушка
6211
Спиральная катушка
6212
Спиральная катушка
612
Первый покрывающий элемент со стороны передачи энергии
613
Второй покрывающий элемент со стороны передачи энергии
614
Третий покрывающий элемент со стороны передачи энергии
62
Элемент приема энергии
622
Первый покрывающий элемент со стороны приема энергии
623
Второй покрывающий элемент со стороны приема энергии
624
Третий покрывающий элемент со стороны приема энергии
63
Морская вода.