Беспроводной электромагнитный приемник и система беспроводной передачи энергии

Изобретение относится к беспроводной передачи энергии, а именно к системам и устройствам, применяемым для беспроводной передачи энергии. Технический результат - увеличение получаемой энергии путем увеличения добротности приемника. Система беспроводной передачи энергии, содержащая источник переменного магнитного поля и беспроводной электромагнитный приемник, получающий энергию от источника переменного магнитного поля, причем указанный приемник включает в себя первое устройство, чувствительное к электромагнитному полю, и второе устройство, выполненное с возможностью преобразования механической энергии в электрическую и находящееся в контакте с первым устройством, отличается тем, что первое устройство приемника представляет собой цельный твердотельный механический резонатор, выполненный из магнитострикционного материала, а второе устройство приемника представляет собой преобразователь механической энергии колебаний указанного резонатора в электрическую. 2 н. и 37 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к беспроводной передачи энергии, а именно к системам и устройствам, применяемым для беспроводной передачи энергии.

Системы для передачи электромагнитной энергии делятся на излучательные и неизлучательные системы. Излучательные системы для передачи энергии основаны на узконаправленных передатчиках и используют электромагнитное излучение в дальней зоне. Неизлучательные системы для передачи энергии, как правило, основаны на электромагнитной индукции и используют нераспространяющееся поле в ближней зоне.

Интерес к неизлучательным системам передачи энергии существенно возрос за последние несколько лет, особенно после того, как Массачусетским технологическим институтом была запатентована схема резонансной передачи энергии (см. патент США №7741734) [1]. В патенте [1] раскрыт способ передачи электромагнитной энергии, в котором используется система из двух резонаторов, взаимодействующих через нераспространяющееся резонансное поле в ближней зоне. В патенте [1] также раскрыты некоторые возможные варианты реализации электромагнитных резонансных структур. Практически все другие известные резонансные устройства для беспроводной передачи энергии также основаны на электромагнитных резонансных структурах. Следует отметить, что резонансные структуры, которые используют для систем беспроводной передачи энергии, могут быть также использованы в нерезонансных системах (включая излучательные системы).

Основным недостатком электромагнитных резонансных структур является сложность разработки чувствительного электромагнитного резонатора малого размера с высокой добротностью (Q). Другой недостаток заключается в сложности разработки электромагнитного резонатора с высокой добротностью и низкой резонансной частотой. В то же время желательно обеспечить как можно более высокую добротность для повышения эффективности передачи энергии.

Использование механического резонатора, возбуждаемого внешним магнитным полем за счет явления магнитострикции, для беспроводной передачи энергии известно из выложенных заявок США №20100015918 [2] и №20090079268 [3].

Наиболее близким по своим признакам к заявляемому изобретению является устройство, описанное в [3]. В данной патентной заявке описано магнитоэлектрическое многослойное устройство, включающее по меньшей мере один пьезоэлектрический слой, покрытый двумя магнитострикционными слоями. Принцип работы данного устройства следующий: при помещении во внешнее переменное магнитное поле механические колебания, возникающие благодаря магнитострикционным слоям, преобразуются в колебания электрического напряжения в пьезоэлектрическом слое. Недостатком данного решения является уменьшение добротности устройства по сравнению с использованием одиночного (несоставного) механического резонатора. Уменьшение добротности в известном решении обусловлено тем, что резонируют не все слои устройства и в нерезонирующих слоях происходит демпфирование колебаний.

Другим недостатком является отсутствие устройства, обеспечивающего линейность магнитострикционных свойств, что снижает чувствительность приемника к переменному магнитному полю.

Основной задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка резонансного приемника, способного функционировать в системе беспроводной передачи энергии, имеющего высокую добротность, величина которой больше 2000 (Q>2000), и пригодного для малоразмерных (~1 см) и низкочастотных применений (f<1 МГц).

Технический результат достигается за счет разработки усовершенствованной конструкции беспроводного электромагнитного приемника, включающего в себя:

твердотельный механический резонатор, выполненный из магнитострикционного материала;

преобразователь для преобразования механической энергии указанного резонатора в электрическую энергию, расположенный в непосредственной близости от указанного твердотельного механического резонатора.

Таким образом, заявляемое изобретение основано на использовании одиночного (несоставного) твердотельного магнитострикционного резонатора. Вместо пьезоэлектрического слоя предлагается использовать преобразователь энергии, который расположен в непосредственной близости от резонатора и который устроен таким образом, что его наличие практически не снижает добротности резонатора. Такой подход позволяет значительно увеличить добротность самого приемника.

При функционировании беспроводного электромагнитного приемника указанный твердотельный механический резонатор возбуждается внешним электромагнитным полем на частоте, соответствующей резонансной частоте указанного резонатора.

Для эффективного функционирования беспроводного электромагнитного приемника важно, чтобы конструкция указанного преобразователя обеспечивала высокую добротность указанного резонатора.

Согласно заявляемому изобретению указанный твердотельный механический резонатор предпочтительно выполняется из магнитострикционного материала с высокой добротностью, значение которой превышает 2000.

Согласно заявляемому изобретению указанный твердотельный механический резонатор предпочтительно выполняется из магнитострикционного феррита.

Согласно заявляемому изобретению указанный твердотельный механический резонатор имеет форму, выбираемую так, чтобы на рабочей частоте возбуждалась механическая резонансная мода.

Согласно одному из вариантов выполнения указанный твердотельный механический резонатор имеет форму цилиндра.

Согласно другому варианту выполнения указанный твердотельный механический резонатор имеет форму бруска с квадратным сечением.

Согласно другому варианту выполнения указанный твердотельный механический резонатор имеет форму пластины.

Для эффективного функционирования беспроводного электромагнитного приемника имеет смысл, чтобы указанный твердотельный механический резонатор был помещен в поле постоянного магнита.

Согласно одному из вариантов выполнения указанный постоянный магнит изготавливается из магнитной керамики.

Согласно заявляемому изобретению указанный преобразователь представляет собой электретный конденсаторный преобразователь.

Согласно заявляемому изобретению указанный электретный конденсаторный преобразователь содержит два тонких проводящих слоя и зафиксированный рядом с ними электретный слой, расположенный вблизи резонатора.

Согласно одному из вариантов выполнения первый проводящий слой указанного электретного конденсаторного преобразователя представляет собой металлизированную поверхность, покрывающую, по меньшей мере, одну поверхность резонатора.

Согласно другому варианту выполнения первый проводящий слой указанного электретного конденсаторного преобразователя представляет собой проводник, механически соединенный с поверхностью резонатора.

Согласно заявляемому изобретению второй проводящий слой указанного электретного конденсаторного преобразователя расположен рядом с резонатором.

Согласно заявляемому изобретению структура, состоящая из указанных двух тонких проводящих слоев и электретного слоя, образует предварительно заряженный конденсатор.

Согласно заявляемому изобретению указанные два тонких проводящих слоя указанного электретного конденсаторного преобразователя соединены с нагрузкой.

Разработанный в рамках заявляемого решения беспроводной электромагнитный приемник имеет более высокую добротность по сравнению с известными основанными на механическом резонансе приемниками-аналогами. При этом в заявляемом беспроводном электромагнитном приемнике предлагается использовать механические резонаторы (вместо использования электромагнитных резонансных структур), которые возбуждают магнитным полем за счет явления магнитострикции. Механические резонаторы могут иметь высокую добротность (Q~103÷104), которая слабо зависит от размера и частоты. Таким образом, такие резонаторы могут найти применение в малоразмерных и низкочастотных системах.

Кроме того, для решения поставленной задачи также предлагается система для беспроводной передачи энергии, содержащая:

источник переменного магнитного поля,

беспроводной электромагнитный приемник, который принимает энергию от источника переменного магнитного поля, причем указанный приемник включает в себя:

твердотельный механический резонатор, выполненный из магнитострикционного материала;

преобразователь для преобразования механической энергии указанного резонатора в электрическую энергию, расположенный в непосредственной близости от указанного твердотельного механического резонатора.

Дополнительно, включенный в систему беспроводной электромагнитный приемник может характеризоваться любым из вышеприведенных признаков.

Согласно настоящему изобретению предлагается использовать электретный преобразователь, который представляет собой конденсатор, предварительно заряженный при помощи электрета. Одна проводящая поверхность указанного конденсатора представляет собой металлизированную поверхность, покрывающую, по меньшей мере, одну поверхность резонатора, или проводник, механически соединенный с поверхностью резонатора. Механические колебания поверхности резонатора создают переменное напряжение на обкладках конденсатора.

Предлагаемый беспроводной электромагнитный приемник предназначен для использования в качестве элемента системы беспроводной передачи энергии. Указанная система включает источник переменного магнитного поля и беспроводной электромагнитный приемник, выполненный согласно настоящему изобретению, который принимает энергию от источника. Частота переменного поля, генерируемая источником, соответствует резонансной частоте приемника.

Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.

Фиг.1 представляет собой схему беспроводного электромагнитного приемника с плоским твердотельным магнитострикционнным резонатором и электретным конденсаторным преобразователем энергии, где:

101 - плоский твердотельный магнитострикционный резонатор;

102 - постоянный магнит;

103 - возбуждающее магнитное поле;

104 и 105 -тонкие проводящие слои;

106 - электретный слой;

107 - нагрузка.

Фиг.2 представляет собой схему беспроводного электромагнитного приемника с твердотельным цилиндрическим магнитострикционным резонатором и электретным конденсаторным преобразователем энергии, где:

201 - твердотельный цилиндрический магнитострикционный резонатор;

102 - постоянный магнит;

103 - возбуждающее магнитное поле;

104 и 105 -тонкие проводящие слои;

106 - электретный слой;

107 - нагрузка.

Фиг.3 представляет собой схему функционирования системы беспроводной передачи энергии, содержащей предлагаемый беспроводной электромагнитный приемник.

103 - возбуждающее магнитное поле, сгенерированное источником;

308 - источник переменного магнитного поля;

309 - приемник.

Первой функциональной частью заявленного беспроводного электромагнитного приемника 309 является твердотельный магнитострикционный резонатор 101 или 201 с постоянным магнитом 102 (Фиг.1 и Фиг.2). Твердотельный резонатор 101 выполнен из магнитострикционного материала с высокой добротностью. Например, таким магнитострикционным материалом может быть магнитострикционный феррит. Резонатор предпочтительно имеет форму пластины, цилиндра, прямоугольного бруска или другую форму. Форма резонатора выбирается таким образом, чтобы на рабочей частоте f в резонаторе 101 возбуждалась механическая резонансная мода. Например, для продольной механической резонансной моды размер резонатора, по меньшей мере, в одном измерении должен быть приблизительно равен ν/(2f), где ν - скорость звука. Механическая резонансная мода является наилучшей для передачи энергии в том случае, если энергия механических колебаний резонатора максимальна, когда мода возбуждена.

Резонатор 101 подмагничивается постоянным магнитом 102, расположенным рядом с ним на некотором расстоянии для того, чтобы обеспечить необходимые магнитострикционные свойства материала резонатора и линеаризовать поведение резонатора 101. Постоянный магнит 102 предпочтительно выполнять из керамического материала. В этом случае он может быть помещен близко к резонатору без значительного влияния на эффективность системы.

Резонатор 101 возбуждается внешним переменным магнитным полем 103. Переменное магнитное поле 103 возбуждает в резонаторе 101 механические колебания за счет явления магнитострикции. Амплитуда колебаний на резонансной частоте f зависит от добротности Q материала резонатора 101: чем выше добротность, тем большую амплитуду колебаний она обеспечивает. Таким образом, желательно сделать добротность как можно более высокой. Также амплитуда колебаний зависит от магнитострикционных свойств материала резонатора 1. Поэтому предпочтительно использовать специальные магнитострикционные материалы для предложенного приемника.

Второй функциональной частью беспроводного электромагнитного приемника 309 является преобразователь энергии. В заявляемом изобретении предлагается использовать электретный преобразователь (Фиг.1 и Фиг.2), который содержит два тонких проводящих слоя 104 и 105, и зафиксированный рядом с ними электретный слой 106, расположенный близко к резонатору 101. Первый проводящий слой 104 представляет собой металлизированную поверхность, покрывающую, по меньшей мере, одну поверхность резонатора 101, или проводник, механически соединенный с поверхностью резонатора 101. Второй проводящий слой 105 расположен рядом с резонатором 101 так, чтобы система, состоящая из проводящих слоев 104 и 105 и электретного слоя, образовывала предварительно заряженный конденсатор. Электретный слой 106 зафиксирован на втором проводящем слое 105. Такая комбинированная структура преобразователя способствует тому, чтобы добротность резонатора не снижалась. Механические колебания поверхности резонатора 101 с проводящими слоями 104 и 105 обуславливают колебания напряжения в конденсаторе. Проводящие слои 104 и 105 соединены с нагрузкой 107.

Предлагаемый беспроводной электромагнитный приемник 309 может быть использован как элемент системы беспроводной передачи энергии.

Такая система беспроводной передачи энергии (Фиг.3) включает в себя источник 308 переменного магнитного поля и предлагаемый беспроводной электромагнитный приемник 309, выполненный согласно настоящему изобретению, который принимает энергию от источника 308. Частота переменного поля, генерируемая источником 308, соответствует резонансной частоте приемника 309. При этом возможно использование различных источников переменного магнитного поля.

- Источником может быть неизлучательная резонансная структура с частотой f, расположенная на расстоянии, которое меньше длины волны λ=с/f, где с - скорость света. В таком случае источник и приемник образуют резонансную систему передачи энергии.

- Источником может быть неизлучательная нерезонансная структура. Например, это может быть катушка, соединенная с генератором и расположенная на расстоянии, которое меньше длины волны λ=с/f.

- Источником может быть излучательная структура с частотой f, расположенная на расстоянии, которое больше длины волны λ=с/f.

Таким образом, заявляемый приемник, являющийся ключевым элементом системы беспроводной передачи энергии, состоит из двух компонентов: твердотельного резонатора, возбуждаемого внешним переменным магнитным полем посредством магнитострикции, и преобразователя энергии для преобразования механической энергии резонатора в электрическую энергию. Приемник характеризуется использованием механического твердотельного резонатора с высокой добротностью для приема электромагнитной энергии, используя явление магнитострикции.

Заявленное изобретение может найти применение в системах беспроводной передачи энергии, в частности оно позволяет снабжать энергией маломощные компактные устройства без использования проводов. При этом заявленное решение особенно пригодно для использования в областях, где предпочтительно применение низких частот, например в биологических системах.

1. Беспроводной электромагнитный приемник, включающий в себя устройство, чувствительное к электромагнитному полю, и второе устройство, выполненное с возможностью преобразования механической энергии в электрическую и находящееся в контакте с первым устройством, отличающееся тем, что первое устройство представляет собой цельный твердотельный механический резонатор, выполненный из магнитострикционного материала, а второе устройство представляет собой преобразователь механической энергии колебаний указанного резонатора в электрическую.

2. Приемник по п.1, отличающийся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен с возможностью возбуждения от внешнего электромагнитного поля на частоте, соответствующей резонансной частоте указанного резонатора.

3. Приемник по п.1, отличающийся тем, что указанный преобразователь выполнен с возможностью поддержания высокой добротности указанного резонатора.

4. Приемник по п.1, отличающийся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен из магнитострикционного материала с высокой добротностью, значение которой превышает 2000.

5. Приемник по п.1, отличающийся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен из магнитострикционного феррита.

6. Приемник по п.1, отличающийся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор имеет форму, выбираемую так, чтобы на рабочей частоте возбуждалась механическая резонансная мода.

7. Приемник по п.6, отличающийся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор изготовлен в форме цилиндра.

8. Приемник по п.6, отличающийся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор изготовлен в форме бруска с квадратным сечением.

9. Приемник по п.6, отличающийся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор изготовлен в форме пластины.

10. Приемник по п.1, отличающийся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен с возможностью подмагничивания от постоянного магнита.

11. Приемник по п.10, отличающийся тем, что указанный постоянный магнит изготовлен из магнитной керамики.

12. Приемник по п.1, отличающийся тем, что указанный преобразователь механической энергии представляет собой электретный конденсаторный преобразователь.

13. Приемник по п.12, отличающийся тем, что указанный электретный конденсаторный преобразователь содержит два тонких проводящих слоя и зафиксированный рядом с ними электретный слой.

14. Приемник по п.13, отличающийся тем, что первый проводящий слой указанного электретного конденсаторного преобразователя представляет собой металлизированную поверхность, покрывающую, по меньшей мере, часть поверхности резонатора.

15. Приемник по п.13, отличающийся тем, что первый проводящий слой указанного электретного конденсаторного преобразователя представляет собой проводник, механически соединенный с поверхностью резонатора.

16. Приемник по п.13, отличающийся тем, что второй проводящий слой указанного электретного конденсаторного преобразователя механически не контактирует с резонатором.

17. Приемник по любому из пп.13-16, отличающийся тем, что структура, состоящая из указанных двух тонких проводящих слоев и электретного слоя, образует предварительно заряженный конденсатор.

18. Приемник по п.13, отличающийся тем, что указанные два тонких проводящих слоя указанного электретного конденсаторного преобразователя соединены с нагрузкой.

19. Система беспроводной передачи энергии, содержащая источник переменного магнитного поля и беспроводной электромагнитный приемник, получающий энергию от источника переменного магнитного поля, причем указанный приемник включает в себя первое устройство, чувствительное к электромагнитному полю, и второе устройство, выполненное с возможностью преобразования механической энергии в электрическую и находящееся в контакте с первым устройством, отличающаяся тем, что первое устройство приемника представляет собой цельный твердотельный механический резонатор, выполненный из магнитострикционного материала, а второе устройство приемника представляет собой преобразователь механической энергии колебаний указанного резонатора в электрическую.

20. Система по п.19, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен с возможностью возбуждения от внешнего электромагнитного поля на частоте, которая соответствует резонансной частоте указанного резонатора.

21. Система по п.19, отличающаяся тем, что указанный преобразователь выполнен с возможностью поддержания высокой добротности указанного резонатора.

22. Система по п.19, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен из магнитострикционного материала с высокой добротностью, значение которой превышает 2000.

23. Система по п.22, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен из магнитострикционного феррита.

24. Система по п.19, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор имеет форму, выбираемую так, чтобы на рабочей частоте возбуждалась механическая резонансная мода.

25. Система по п.24, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор изготовлен в форме цилиндра.

26. Система по п.24, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор изготовлен в форме бруска с квадратным сечением.

27. Система по п.24, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор изготовлен в форме пластины.

28. Система по п.19, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен с возможностью подмагничивания от постоянного магнита.

29. Система по п.28, отличающаяся тем, что указанный постоянный магнит изготовлен из магнитной керамики.

30. Система по п.19, отличающаяся тем, что преобразователь выполнен в виде электретного конденсаторного преобразователя.

31. Система по п.30, отличающаяся тем, что указанный электретный конденсаторный преобразователь содержит два тонких проводящих слоя и зафиксированный рядом с ними электретный слой.

32. Система по п.31, отличающаяся тем, что первый проводящий слой указанного электретного конденсаторного преобразователя представляет собой металлизированную поверхность, покрывающую, по меньшей мере, часть поверхности резонатора.

33. Система по п.31, отличающаяся тем, что первый проводящий слой указанного электретного конденсаторного преобразователя представляет собой проводник, механически соединенный, по меньшей мере, с частью поверхности резонатора.

34. Система по п.31, отличающаяся тем, что второй проводящий слой указанного электретного конденсаторного преобразователя механически не контактирует с резонатором.

35. Система по любому из пп.31-34, отличающаяся тем, что структура, состоящая из указанных двух тонких проводящих слоев и электретного слоя, образует предварительно заряженный конденсатор.

36. Система по п.31, отличающаяся тем, что указанные два тонких проводящих слоя указанного электретного конденсаторного преобразователя соединены с нагрузкой.

37. Система по п.19, отличающаяся тем, что источник переменного магнитного поля представляет собой неизлучательую резонансную структуру с частотой f, расположенную на расстоянии, которое меньше длины волны λ=c/f, где с - скорость света.

38. Система по п.19, отличающаяся тем, что источник переменного магнитного поля представляет собой неизлучательную нерезонансную структуру, расположенную на расстоянии, которое меньше длины волны λ=c/f, где с - скорость света.

39. Система по п.19, отличающаяся тем, что источник переменного магнитного поля представляет собой излучательную структуру с частотой f, расположенную на расстоянии, которое больше длины волны λ=c/f, где с - скорость света.