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 - повышение принимаемой мощности путем увеличения добротности приемника. Система беспроводной передачи энергии, содержащая источник переменного магнитного поля и беспроводной электромагнитный приемник, который принимает энергию от источника переменного магнитного поля, и где указанный приемник включает в себя первое устройство, чувствительное к электромагнитному полю, второе устройство, выполненное с возможностью преобразования механической энергии в электрическую, 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.
В заявляемом беспроводном электромагнитном приемнике предлагается использовать механические резонаторы (вместо использования электромагнитных резонансных структур), которые возбуждаются 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 предпочтительны для использования в малоразмерных и низкочастотных приложениях.
В настоящей заявке предлагается использовать цельный (несоставной) твердотельный магнитострикционный резонатор. Вместо пьезоэлектрического слоя предлагается использовать преобразователь энергии, который расположен в непосредственной близости от резонатора, контактирует с ним и который устроен таким образом, что его наличие существенно не уменьшает добротность резонатора. Такой подход позволяет значительно увеличить добротность приемника.
Кроме того, использование постоянного магнита в предлагаемом решении позволяет обеспечить линейность магнитострикционных свойств и тем самым значительно увеличить чувствительность приемника к переменному магнитному полю.
Основной задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка резонансного приемника для системы 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:
устройство, чувствительное к электромагнитному полю, и второе устройство, выполненное с возможностью преобразования механической энергии в электрическую и находящееся в контакте с первым устройством, при этом заявляемая конструкция отличается 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.
Таким образом, заявляемое изобретение основано на использовании цельного (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.
Согласно заявляемому изобретению указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен с возможностью возбуждения от внешнего электромагнитного поля на частоте, соответствующей резонансной частоте указанного резонатора.
Для эффективного функционирования беспроводного электромагнитного приемника важно, чтобы указанный преобразователь был выполнен с возможностью поддержания высокой добротности указанного резонатора.
Согласно заявляемому изобретению указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен из магнитострикционного материала с высокой добротностью, значение которой превышает 2000.
Согласно заявляемому изобретению указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен из магнитострикционного феррита.
Согласно заявляемому изобретению указанный цельный твердотельный механический резонатор имеет форму, выбираемую так, чтобы на рабочей частоте возбуждалась механическая резонансная мода.
Согласно одному из вариантов реализации изобретения указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен в форме цилиндра.
Согласно другому варианту реализации указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен в форме бруска с квадратным сечением.
Согласно другому варианту реализации указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен в форме пластины.
Для эффективного функционирования беспроводного электромагнитного приемника имеет смысл, чтобы указанный цельный твердотельный механический резонатор был выполнен с возможностью подмагничивания от постоянного магнита.
Согласно одному из вариантов реализации изобретения указанный постоянный магнит выполнен из магнитной керамики.
Согласно заявляемому изобретению указанный преобразователь представляет собой конденсаторный преобразователь, предварительно заряженный внешним источником напряжения.
Согласно заявляемому изобретению указанный конденсаторный преобразователь содержит два тонких проводящих слоя и постоянный источник напряжения, соединенный с указанными проводящими слоями через защитный дроссель.
Согласно одному из вариантов реализации изобретения первый проводящий слой указанного конденсаторного преобразователя представляет собой металлизированную поверхность, покрывающую, по меньшей мере, часть поверхности резонатора.
Согласно другому варианту реализации изобретения первый проводящий слой указанного конденсаторного преобразователя представляет собой проводник, механически соединенный, по меньшей мере, с частью поверхности резонатора.
Согласно заявляемому изобретению второй проводящий слой указанного конденсаторного преобразователя механически не контактирует с резонатором.
Согласно заявляемому изобретению два указанных тонких проводящих слоя образуют предварительно заряженный конденсатор.
Согласно заявляемому изобретению указанные два тонких проводящих слоя указного конденсаторного преобразователя соединены с нагрузкой.
Разработанный согласно настоящему решению беспроводной электромагнитный приемник имеет более высокую добротность по сравнению с известными основанными на механическом резонансе приемниками-аналогами.
Кроме того, для решения поставленной задачи также предлагается система беспроводной передачи энергии, содержащая источник переменного магнитного поля, и беспроводной электромагнитный приемник, который принимает энергию от источника переменного магнитного поля, при этом указанный приемник включает в себя первое устройство, чувствительное к электромагнитному полю, второе устройство, выполненное с возможностью преобразования механической энергии в электрическую, находящееся в контакте с первым устройством. Заявляемая система отличается тем, что первое устройство приемника представляет собой цельный твердотельный механический резонатор, выполненный из магнитострикционного материала, а второе устройство приемника представляет собой преобразователь, выполненный с возможностью преобразования механической энергии колебаний указанного резонатора в электрическую.
Включенный в систему беспроводной электромагнитный приемник может характеризоваться любым из вышеприведенных признаков.
Согласно одному из вариантов заявляемого изобретения источник переменного магнитного поля представляет собой неизлучательную резонансную структуру с частотой f, расположенную на расстоянии, которое меньше длины волны λ=c/f, где c - скорость света.
Согласно другому варианту заявляемого изобретения источник переменного магнитного поля представляет собой неизлучательную нерезонансную структуру, расположенную на расстоянии, которое меньше длины волны λ=c/f, где c - скорость света.
Согласно третьему варианту заявляемого изобретения источник переменного магнитного поля представляет собой излучательную структуру с частотой f, расположенную на расстоянии, которое больше длины волны λ=c/f, где c - скорость света.
Согласно заявляемому изобретению предлагается использовать конденсаторный преобразователь, который представляет собой конденсатор, предварительно заряженный с помощью внешнего источника постоянного напряжения. Одна проводящая поверхность указанного конденсатора представляет собой металлизированную поверхность, покрывающую, по меньшей мере, часть поверхности резонатора, или проводник, механически соединенный, по меньшей мере, с частью поверхности резонатора. Механические колебания поверхности резонатора создают переменное напряжение на обкладках конденсатора.
Предлагаемый беспроводной электромагнитный приемник, содержащий резонатор и преобразователь, может быть использован как часть 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 приемника с плоским твердотельным магнитострикционным резонатором и конденсаторным преобразователем энергии, предварительно заряженным с помощью внешнего источника напряжения, где:
101 - плоский твердотельный магнитострикционный резонатор,
102 - постоянный магнит;
103 - возбуждающее магнитное поле;
104 и 105 - тонкие проводящие слои;
107 - нагрузка;
108 - внешний источник напряжения;
109 - защитный дроссель;
110 - емкость;
112 - беспроводной электромагнитный приемник.
Фиг.2 представляет собой схему приемника с твердотельным цилиндрическим магнитострикционным резонатором и конденсаторным преобразователем энергии, предварительно заряженным с помощью внешнего источника напряжения, где:
201 - твердотельный цилиндрический магнитострикционный резонатор;
102 - постоянный магнит;
103 - возбуждающее магнитное поле;
104 и 105 - тонкие проводящие слои;
107 - нагрузка;
108 - внешний источник напряжения;
109 - защитный дроссель;
110 - емкость;
112 - беспроводной электромагнитный приемник.
Фиг.3 представляет собой схему системы беспроводной передачи энергии, содержащую предлагаемый беспроводной электромагнитный приемник.
103 - возбуждающее магнитное поле, сгенерированное источником;
311 - источник переменного магнитного поля;
112 - беспроводной электромагнитный приемник.
Первой функциональной частью заявленного беспроводного электромагнитного приемника 112 является цельный твердотельный магнитострикционный резонатор 101 с постоянным магнитом 102 (Фиг.1). Цельный твердотельный резонатор 101 выполнен из магнитострикционного материала с высокой добротностью (Q>2000). Например, таким магнитострикционным материалом может быть магнитострикционный феррит. Резонатор может иметь форму пластины, цилиндра, квадратного бруска или любую 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 υ/(2f), где υ - 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 101. Поэтому предпочтительно использовать для предложенного приемника материалы с высоким показателем магнитострикции.
Второй функциональной частью беспроводного электромагнитного приемника 112 является преобразователь энергии. В настоящей заявке предлагается использовать конденсаторный преобразователь (Фиг.1, 2), предварительно заряженный внешним напряжением, включающий в себя два тонких проводящих слоя 104 и 105, источник постоянного напряжения 108, соединенный с указанными слоями 104 и 105 через защитный дроссель 109, который защищает внешний источник постоянного напряжения 108 от переменного напряжения. Первый проводящий слой 104 представляет собой металлизированную поверхность, покрывающую, по меньшей мере, часть поверхности резонатора 101, или проводник, механически соединенный, по меньшей мере, с частью поверхности резонатора 101. Второй проводящий слой 105 расположен близко к резонатору 101 так, чтобы система, состоящая из проводящих слоев 104 и 105, образовывала предварительно заряженный конденсатор. Такая комбинированная структура преобразователя способствует тому, чтобы добротность резонатора не уменьшалась. 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 через емкость 110, которая предотвращает постоянный ток в контуре.
Предлагаемый беспроводной электромагнитный приемник 112 используется как часть системы беспроводной передачи энергии.
Такая система для беспроводной передачи энергии (Фиг.3) включает в себя источник переменного магнитного поля 311 и предлагаемый беспроводной электромагнитный приемник 112, выполненный согласно настоящему изобретению, который принимает энергию от источника 311. Частота переменного поля, генерируемая источником 311, соответствует резонансной частоте приемника 112. 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=c/f, где c - 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=c/f.
- Источником может быть излучательная структура с частотой f, расположенная на расстоянии, которое больше длины волны λ=c/f.
Заявленное изобретение может использоваться в системах беспроводной передачи энергии. Изобретение пригодно для малоразмерных применений. Кроме того, заявленное решение пригодно для использования в сферах, где предпочтительны низкие частоты (например, биологические области применения).
1. Беспроводной электромагнитный приемник, содержащий первое устройство, чувствительное к электромагнитному полю, второе устройство, выполненное с возможностью преобразования механической энергии в электрическую, находящееся в контакте с первым устройством, отличающийся 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 имеет форму цилиндра.
8. Приемник по п.6, отличающийся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор имеет форму прямоугольного бруска.
9. Приемник по п.6, отличающийся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор имеет форму 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 представляет собой керамический магнит.
12. Приемник по п.1, отличающийся тем, что указанный преобразователь представляет собой конденсаторный преобразователь, предварительно заряженный внешним источником напряжения.
13. Приемник по п.12, отличающийся тем, что указанный конденсаторный преобразователь содержит два тонких проводящих слоя и постоянный источник напряжения, соединенный с указанными слоями через защитный дроссель.
14. Приемник по п.13, отличающийся тем, что первый проводящий слой указанного 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 конденсаторного преобразователя представляет собой проводник, механически соединенный, по меньшей мере, с частью поверхности резонатора.
16. Приемник по п.13, отличающийся тем, что второй проводящий слой указанного конденсаторного преобразователя механически не контактирует с резонатором.
17. Приемник по любому из пп.13-16, отличающийся тем, что два указанных тонких проводящих слоя образуют предварительно заряженный конденсатор.
18. Приемник по п.13, отличающийся тем, что указанные два тонких проводящих слоя соединены с нагрузкой через емкость.
19. Система беспроводной передачи энергии, содержащая источник переменного магнитного поля и беспроводной электромагнитный приемник, который принимает энергию от источника переменного магнитного поля, и где указанный приемник включает в себя первое устройство, чувствительное к электромагнитному полю, второе устройство, выполненное с возможностью преобразования механической энергии в электрическую, 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 для беспроводной передачи энергии 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 выполнен в форме цилиндра.
26. Система по п.24, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен в форме прямоугольного бруска.
27. Система по п.24, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен 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 представляет собой керамический магнит.
30. Система по п.19, отличающаяся тем, что указанный преобразователь представляет собой конденсаторный преобразователь, предварительно заряженный внешним источником напряжения.
31. Система по п.30, отличающаяся тем, что указанный конденсаторный преобразователь содержит два тонких проводящих слоя и постоянный источник напряжения, соединенный с указанными слоями через защитный дроссель.
32. Система по п.31, отличающаяся тем, что первый проводящий слой указанного 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 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 конденсаторного механически не контактирует с резонатором.
35. Система по любому из пп.31-34, отличающаяся тем, что два указанных тонких проводящих слоя образуют предварительно заряженный конденсатор.
36. Система по п.31, отличающаяся тем, что указанные два тонких проводящих слоя соединены с нагрузкой через емкость.
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.
