Резонансная индуктивная связь

Схема самой простой системы беспроводной передачи энергии с резонансной индуктивной связью. Это называется технологией второго резонанса.

Схема резонансной индуктивной беспроводной системы питания WiTricity, продемонстрированной командой Марина Солячича из Массачусетского технологического института в 2007 году. Резонансные контуры представляли собой катушки из медного провода, которые резонировали со своей внутренней емкостью (пунктирные конденсаторы) на частоте 10 МГц. Мощность подавалась в резонатор передатчика и из резонатора приемника в выпрямитель с помощью небольших катушек, которые также служили для согласования импедансов . В связи с этим исследователи Массачусетского технологического института полагают, что они открыли новый способ беспроводной передачи энергии с использованием безызлучательного резонансного туннелирования электромагнитной энергии.

Резонансная индуктивная связь или магнитно-фазовая синхронная связь Это явление индуктивной связи , при котором связь становится сильнее, когда «вторичная» (несущая) сторона слабосвязанной катушки резонирует. Резонансный трансформатор этого типа часто используется в аналоговых схемах в качестве полосового фильтра . Резонансная индуктивная связь также используется в беспроводных системах питания портативных компьютеров, телефонов и транспортных средств.

Приложения

Различные системы резонансной связи используются или разрабатываются для малых расстояний (до 2 метров). беспроводные электрические системы для питания ноутбуков, планшетов, смартфонов, роботов-пылесосов , имплантированных медицинских устройств и транспортных средств, таких как электромобили и SCMaglev. поезда и автоматизированные управляемые транспортные средства . К конкретным технологиям относятся:

• WiTricity
• Резенс
• Электронная связь
• Беспроводная резонансная энергетическая связь (WREL)

Другие приложения включают в себя:

• Передача данных, например, с помощью пассивных RFID-меток (например, в паспорте ) и бесконтактных смарт-карт .
• Резонансный трансформатор силового инвертора , питающего люминесцентную лампу с холодным катодом .
• Соединяют каскады супергетеродинного приёмника , где избирательность приёмника обеспечивается настроенными трансформаторами в усилителях промежуточной частоты .
• Источники высокого напряжения (миллион вольт) для производства рентгеновских лучей .

Катушка Теслы представляет собой схему резонансного трансформатора, используемую для генерации очень высокого напряжения и способную обеспечить гораздо более высокий ток, чем электростатические машины высокого напряжения , такие как генератор Ван де Граафа . Однако системы этого типа излучают большую часть своей энергии в пустое пространство, в отличие от современных беспроводных энергосистем, которые тратят очень мало энергии.

Резонансные трансформаторы широко применяются в радиосхемах в качестве полосовых фильтров , а также в импульсных источниках питания.

История

В 1894 году Никола Тесла использовал резонансную индуктивную связь, также известную как «электродинамическая индукция», для беспроводного освещения фосфоресцентных ламп и ламп накаливания в лаборатории на Южной Пятой авеню, 35, а затем в лаборатории на Э. Хьюстон-стрит, 46 в Нью-Йорке. В 1897 году он запатентовал устройство. называется высоковольтным резонансным трансформатором или « катушкой Теслы ». Передавая электрическую энергию от первичной катушки к вторичной посредством резонансной индукции, катушка Теслы способна генерировать очень высокое напряжение на высокой частоте . Усовершенствованная конструкция позволила безопасно производить и использовать электрические токи высокого потенциала «без серьезной ответственности за разрушение самого аппарата и опасности для лиц, приближающихся к нему или обращающихся с ним».

В начале 1960-х годов резонансная индуктивная беспроводная передача энергии успешно использовалась в имплантируемых медицинских устройствах. включая такие устройства, как кардиостимуляторы и искусственное сердце. В то время как в ранних системах использовалась резонансная приемная катушка, в более поздних системах также реализованы резонансные катушки передатчика. Эти медицинские устройства разработаны для обеспечения высокой эффективности с использованием маломощной электроники, в то же время эффективно компенсируя некоторую несоосность и динамическое скручивание катушек. Расстояние между катушками в имплантируемых устройствах обычно составляет менее 20 см. Сегодня резонансная индуктивная передача энергии регулярно используется для обеспечения электроэнергией многих коммерчески доступных медицинских имплантируемых устройств.

Беспроводная передача электроэнергии для экспериментальной эксплуатации электромобилей и автобусов представляет собой применение резонансной индуктивной передачи энергии более высокой мощности (> 10 кВт). Для быстрой перезарядки необходимы высокие уровни мощности, а высокая эффективность передачи энергии необходима как для экономии эксплуатации, так и для предотвращения негативного воздействия системы на окружающую среду. Экспериментальный испытательный полигон электрифицированной дороги, построенный примерно в 1990 году, достиг энергоэффективности чуть выше 60% при подзарядке аккумулятора прототипа автобуса на специально оборудованной автобусной остановке. Автобус мог быть оснащен выдвижной приемной катушкой для увеличения зазора катушки при движении. Зазор между передающей и приемной катушками был спроектирован так, чтобы при питании он составлял менее 10 см. Помимо автобусов, использование беспроводной передачи данных исследовалось также для подзарядки электромобилей на парковочных местах и ​​в гаражах.

Некоторые из этих беспроводных резонансных индуктивных устройств работают при низких уровнях мощности в милливаттах и ​​питаются от батарей. Другие работают на более высоких уровнях мощности в киловаттах. Современные конструкции имплантируемых медицинских устройств и устройств для электрификации дорог достигают эффективности передачи более 75% при рабочем расстоянии между передающей и приемной катушками менее 10 см.

В 1993 году профессор Джон Бойс и профессор Грант Чович из Оклендского университета в Новой Зеландии разработали системы для передачи большого количества энергии через небольшие воздушные зазоры. В Японии он применялся в качестве передвижного крана и бесконтактного источника питания AGV. В 1998 году были запатентованы RFID-метки с таким питанием.

В ноябре 2006 года Марин Солячич и другие исследователи из Массачусетского технологического института применили это поведение в ближнем поле к беспроводной передаче энергии на основе сильно связанных резонаторов. В теоретическом анализе они демонстрируют, что путем разработки электромагнитных резонаторов, которые несут минимальные потери из-за излучения и поглощения и имеют ближнее поле со средней протяженностью (а именно, в несколько раз больше размера резонатора), возможна эффективная беспроводная передача энергии на среднем расстоянии. Причина в том, что если два таких резонансных контура, настроенные на одну и ту же частоту, находятся в пределах долей длины волны, их ближние поля (состоящие из « затухающих волн ») соединяются посредством связи затухающих волн . Между индукторами возникают колеблющиеся волны, которые могут позволить энергии передаваться от одного объекта к другому за время, намного меньшее, чем все времена потерь, которые были рассчитаны на большие, и, следовательно, с максимально возможной эффективностью передачи энергии. Поскольку резонансная длина волны намного больше, чем у резонаторов, поле может обходить посторонние объекты поблизости, и, таким образом, эта схема передачи энергии среднего радиуса действия не требует прямой видимости. Используя, в частности, магнитное поле для достижения связи, этот метод может быть безопасным, поскольку магнитные поля слабо взаимодействуют с живыми организмами.

Apple Inc. подала заявку на патент на эту технологию в 2010 году, после того как WiPower сделала это в 2008 году.

Раньше источником энергии, используемым на автомобиле JR Tokai SCMaglev, был газотурбинный генератор. В 2011 году им удалось обеспечить питание во время движения (CWD: зарядка во время движения) через большой разрыв с помощью запатентованной технологии фазовой синхронизации 9,8 кГц JR Tokai, разработанной на основе технологии, аналогичной схеме беспроводного питания AGV. А Министерство земли, инфраструктуры и транспорта Японии оценило технологию, поскольку все проблемы с практическим использованием были устранены. Строительство SCMaglev начнется, а коммерческое использование начнется в 2027 году.

Сравнение с другими технологиями

Базовые схемы передатчика и приемника типа pp , Rs и Rr — сопротивления и потери в соответствующих конденсаторах и катушках индуктивности. Ls и Lr связаны небольшим коэффициентом связи k, обычно ниже 0,2.

нерезонансной Индуктивности с связью , такие как типичные трансформаторы , работают по принципу: первичная катушка генерирует магнитное поле , а вторичная катушка максимально подчиняет это поле, чтобы мощность, проходящая через вторичную обмотку, была как можно ближе к этой. первичного. Это требование о том, чтобы поле было покрыто вторичной обмоткой, приводит к очень короткому радиусу действия и обычно требует наличия магнитного сердечника . На больших расстояниях метод нерезонансной индукции крайне неэффективен и тратит большую часть энергии на резистивные потери первичной катушки.

Использование резонанса может помочь значительно повысить эффективность. Если используется резонансная связь, вторичная катушка нагружается емкостно, чтобы сформировать настроенный LC-контур. Если первичная катушка приводится в действие на резонансной частоте вторичной стороны, оказывается, что значительная мощность может передаваться между катушками в диапазоне, в несколько раз превышающем диаметр катушки, с разумной эффективностью.

По сравнению с затратами, связанными с батареями, особенно неперезаряжаемыми, стоимость батарей в сотни раз выше. В ситуациях, когда источник энергии доступен поблизости, это может быть более дешевым решением. Кроме того, хотя батареи требуют периодического обслуживания и замены, вместо них можно использовать резонансную передачу энергии. Кроме того, батареи загрязняют окружающую среду во время их изготовления и утилизации, чего в значительной степени можно избежать.

Правила и безопасность

В отличие от оборудования, подключенного к сети, прямое электрическое соединение не требуется, поэтому оборудование можно герметизировать, чтобы свести к минимуму возможность поражения электрическим током.

Поскольку связь достигается преимущественно с использованием магнитных полей; технология может быть относительно безопасной. В большинстве стран существуют стандарты и рекомендации безопасности в отношении воздействия электромагнитных полей (например, ICNIRP ). Соответствует ли система руководящим принципам или менее строгим законодательным требованиям, зависит от передаваемой мощности и дальности действия передатчика. Максимальное рекомендуемое B-поле является сложной функцией частоты. Рекомендации ICNIRP, например, допускают среднеквадратичные поля в десятки микротесл ниже 100 кГц, падающие с частотой до 200 нанотесл в УКВ и более низкие уровни выше 400 МГц, где части тела могут выдерживать токовые петли сравнимы с длиной волны по диаметру, а поглощение энергии глубокими тканями достигает максимума.

Развернутые системы уже генерируют магнитные поля, например, индукционные плиты с частотой в десятки кГц, где разрешены сильные поля, и бесконтактные считыватели смарт-карт, где возможна более высокая частота, поскольку требуемая энергия ниже.

Исследование шведских военных показало, что системы динамической беспроводной передачи энергии для транспортных средств на частоте 85 кГц могут вызывать электромагнитные помехи в радиусе до 300 километров.

Детали механизма

Обзор

Наблюдаются два резонанса как пара.

Этот процесс происходит в резонансном трансформаторе , электрический компонент которого состоит из катушки с высокой добротностью, намотанной на один и тот же сердечник, с конденсатором, подключенным к катушке, образуя связанную LC-цепь .

Самая простая резонансная индуктивная связь состоит из одной катушки возбуждения на первичной стороне и одного резонансного контура на вторичной стороне. В этом случае, когда резонансное состояние на вторичной стороне наблюдается со стороны первичной, наблюдаются два резонанса как пара. Одна из них называется антирезонансной частотой (параллельная резонансная частота 1), а другая — резонансной частотой (последовательная резонансная частота 1'). Индуктивность короткого замыкания и резонансный конденсатор вторичной обмотки объединены в резонансный контур. Когда первичная катушка приводится в действие резонансной частотой (последовательной резонансной частотой) вторичной стороны, фазы магнитных полей первичной катушки и вторичной катушки синхронизируются. В результате на вторичной катушке генерируется максимальное напряжение из-за увеличения взаимного потока, потери в меди первичной катушки уменьшаются, выделение тепла уменьшается, а эффективность относительно повышается. Резонансная индуктивная связь — это в ближнем поле беспроводная передача электрической энергии между магнитно-связанными катушками, которая является частью резонансного контура, настроенного на резонанс на той же частоте, что и частота возбуждения.

Коэффициент связи в резонансном состоянии

Основная статья: Индуктивность § Коэффициент связи

См. Также: Усилитель с двойной настройкой.

В трансформаторе только часть потока, создаваемого током через первичную катушку, передается на вторичную катушку и наоборот. Часть, которая соединяется, называется взаимным потоком , а часть, которая не соединяется, называется потоком рассеяния . Когда система не находится в резонансном состоянии, это приводит к тому, что напряжение холостого хода, возникающее на вторичной обмотке, оказывается меньше, чем прогнозируется коэффициентом витков катушек. Степень связи фиксируется параметром, называемым коэффициентом связи . Коэффициент связи k определяется как отношение коэффициента напряжения холостого хода трансформатора к коэффициенту, который был бы получен, если бы весь поток перешел от одной катушки к другой. Однако, если цепь не разомкнута, соотношение потоков изменится. Значение k лежит между 0 и ±1. Индуктивность каждой катушки условно можно разделить на две части в пропорциях k :(1− k ) . Это соответственно индуктивность, создающая взаимный поток, и индуктивность, создающая поток рассеяния.

Коэффициент связи является функцией геометрии системы. Это фиксируется позиционным соотношением между двумя катушками. Коэффициент связи не меняется между тем, когда система находится в резонансном состоянии и когда она не находится в резонансном состоянии, или даже если система находится в резонансном состоянии и генерируется вторичное напряжение, превышающее коэффициент трансформации. Однако в резонансном случае соотношение потоков изменяется и взаимный поток увеличивается.

Говорят, что резонансные системы бывают сильносвязанными, слабосвязанными, критически связанными и сверхсвязанными. Плотная связь – это когда коэффициент связи составляет около 1, как и в обычных трансформаторах с железным сердечником. Избыточная связь – это когда вторичная обмотка расположена настолько близко и образованию взаимного потока препятствует эффект антирезонанса, а критическая связь – это когда передача в полосе пропускания оптимальна. Слабая связь – это когда катушки расположены далеко друг от друга, поэтому большая часть потока не попадает во вторичную обмотку. В катушках Тесла используется около 0,2, а на больших расстояниях, например при индуктивной беспроводной передаче энергии, оно может быть ниже 0,01.

Коэффициент усиления напряжения (Тип PP)

Обычно коэффициент усиления напряжения нерезонансно связанных катушек прямо пропорционален квадратному корню из соотношения вторичной и первичной индуктивностей.

$A=k{\sqrt {\frac {L_{2}}{L_{1}}}}\,$

Однако в состоянии резонансной связи генерируется более высокое напряжение. Индуктивность короткого замыкания L _sc2 на вторичной стороне можно получить по следующей формуле.

$L_{sc2}=(1-k^{2})\cdot {L_{2}}$

Индуктивность короткого замыкания L _sc2 и резонансный конденсатор Cr на вторичной стороне резонируют. Резонансная частота ω ₂ следующая.

$\omega _{2}={1 \over {\sqrt {L_{sc2}C_{r}}}}={1 \over {\sqrt {(1-k^{2})\cdot {L_{2}}C_{r}}}}$

Если предположить, что сопротивление нагрузки равно Rl, значение добротности вторичного резонансного контура будет следующим.

$Q_{2}=R_{l}{\sqrt {\frac {C_{r}}{L_{sc2}}}}\,$

Напряжение, создаваемое на резонансном конденсаторе Cr на пике резонансной частоты, пропорционально значению Q. Следовательно, коэффициент усиления напряжения Ar вторичной катушки по отношению к первичной катушке, когда система находится в резонансе,

$A_{r}=kQ_{2}{\sqrt {\frac {L_{2}}{L_{1}}}}\,$

В случае типа PP Q1 не способствует увеличению напряжения.

Резонансная индуктивная система связи типа WiTricity

Магнитный резонанс типа WiTricity характеризуется тем, что резонансные катушки на первичной стороне и резонансные катушки на вторичной стороне спарены. Первичная резонансная катушка увеличивает ток первичной возбуждающей катушки и увеличивает генерируемый магнитный поток вокруг первичного резонатора. Это эквивалентно питанию первичной обмотки высоким напряжением. В случае типа, показанного на левом рисунке, общий принцип заключается в том, что если определенное количество колебательной энергии (например, импульс или серия импульсов) поместить в первичную катушку, которая имеет емкостную нагрузку, катушка будет звонить. ', и образуют колеблющееся магнитное поле.

катушки Резонансный перенос работает путем создания кольца с колебательным током. Это создает колеблющееся магнитное поле . Поскольку катушка обладает сильным резонансом, любая энергия, помещенная в катушку, угасает относительно медленно в течение очень многих циклов; но если рядом с ней поднести вторую катушку, она сможет уловить большую часть энергии до того, как она будет потеряна, даже если она находится на некотором расстоянии. Используемые поля преимущественно являются неизлучающими, ближними полями (иногда называемыми затухающими волнами ), поскольку все оборудование находится в пределах расстояния 1/4 длины волны, они излучают небольшую энергию от передатчика до бесконечности.

Энергия будет передаваться туда и обратно между магнитным полем в индукторе и электрическим полем на конденсаторе на резонансной частоте. Это колебание затухает со скоростью, определяемой шириной полосы усиления ( добротностью ) , в основном из-за резистивных и радиационных потерь. Однако при условии, что вторичная катушка отсекает достаточно поля, чтобы поглощать больше энергии, чем теряется в каждом цикле первичной обмотки, тогда большая часть энергии все равно может быть передана.

Поскольку добротность может быть очень высокой (экспериментально было продемонстрировано около тысячи с катушками с воздушным сердечником ) для достижения высокой эффективности необходимо передать лишь небольшой процент поля от одной катушки к другой, хотя поле быстро затухает по мере удаления от катушки, первичная и вторичная обмотки могут находиться на расстоянии нескольких диаметров друг от друга.

Можно показать, что показатель эффективности для эффективности равен:

$U=k{\sqrt {Q_{1}Q_{2}}}$

Где Q ₁ и Q ₂ — добротность излучающей и приемной катушек соответственно, а k — коэффициент связи, описанный выше.

А максимально достижимая эффективность равна:

$\eta _{opt}={\frac {U^{2}}{(1+{\sqrt {1+U^{2}}})^{2}}}$

Передача мощности

Поскольку добротность может быть очень высокой, даже когда в передающую катушку подается малая мощность, в течение нескольких циклов создается относительно интенсивное поле, что увеличивает принимаемую мощность - при резонансе в колеблющемся поле находится гораздо большая мощность, чем есть на самом деле. подается в катушку, а приемная катушка получает процент от этого.

Катушки и схемы передатчика

В отличие от многослойной вторичной обмотки нерезонансного трансформатора, катушки для этой цели часто представляют собой однослойные соленоиды (чтобы минимизировать скин-эффект и повысить добротность ) параллельно с подходящим конденсатором . резонаторы с волновой намоткой Альтернативные геометрии резонаторов включают литцендратные и петлевые резонаторы (LGR) . В резонаторах на основе литцевой проволоки изоляция либо отсутствует, либо имеет низкую диэлектрическую проницаемость материалы с низкими потерями, такие как шелк . , а для минимизации диэлектрических потерь используются Геометрия LGR имеет то преимущество, что электрические поля вне структуры резонатора очень слабы, что сводит к минимуму воздействие электрических полей на человека и делает эффективность передачи энергии нечувствительной к близлежащим диэлектрикам.

Для постепенной подачи энергии в первичную катушку с каждым циклом можно использовать разные схемы. В одной схеме используется генератор Колпитца .

В катушках Тесла система прерывистого переключения, «контроллер цепи» или «разрыв», используется для подачи импульсного сигнала в первичную катушку; вторичная катушка затем звонит и распадается.

Катушки приемника и схема

Приемник смарт-карты имеет катушку, подключенную к чипу, который обеспечивает емкость для создания резонанса, а также регуляторы для обеспечения подходящего напряжения.

Вторичные приемные катушки по конструкции аналогичны первичным передающим катушкам. вторичной обмотки Работа вторичной обмотки на той же резонансной частоте, что и первичная, обеспечивает низкий импеданс на частоте передатчика и оптимальное поглощение энергии.

Пример приемной катушки. Катушка нагружена конденсатором и двумя светодиодами. Катушка и конденсатор образуют последовательный LC-контур, настроенный на резонансную частоту, соответствующую передающей катушке, расположенной внутри коричневого мата. Мощность передается на расстояние 13 дюймов (33 см).

Для отвода энергии из вторичной катушки можно использовать разные методы: переменный ток можно использовать напрямую или выпрямлять , а для генерации постоянного напряжения можно использовать схему регулятора.

См. также

• Связь с затухающей волной
• Индуктивность
• Индуктивность короткого замыкания
• Башня Уорденклиф

Дальнейшее чтение

• Крышки люков Нью-Йорка скрывают резонансные зарядные устройства
• IEEE Spectrum: критический взгляд на беспроводное питание
• Intel: перерезаем последний шнур, беспроводное питание
• Yahoo News: Intel отказывается от электрических шнуров с помощью беспроводной системы питания
• BBC News: Конец силовым кабелям-спагетти
• «Домашняя страница Марина Солячича (руководителя исследовательской группы) в Массачусетском технологическом институте» .
• Джонатан Филдс (7 июня 2007 г.). «Обещания в области беспроводной энергии сбываются» . Би-би-си Новости .
• Дж. Р. Минкель (7 июня 2007 г.). «Беспроводная энергетическая лампочка на расстоянии семи футов» . Научный американец .
• Кэтрин Нойес (8 июня 2007 г.). «Волшебники Массачусетского технологического института уничтожают электричество в воздухе» . TechNewsWorld.
• Крис Передун, Кристофер Кубицки (11 июня 2007 г.). «Инженеры MIT представляют систему беспроводного питания» . ДейлиТех . Архивировано из оригинала 12 января 2013 г.
• «Поддержка онлайн-материалов по беспроводной передаче энергии посредством сильносвязанного магнитного резонанса» . Научный журнал.
• Гэри Петерсон (6 августа 2008 г.). «Предвидение Witricity» . Книги XXI века.
• Биография Уильяма К. Брауна на сайте IEEE MTT-S
• Анурадха Менон (14 ноября 2008 г.). «Демонстрация технологии беспроводного питания Intel» . «Будущее вещей» Электронный журнал . Архивировано из оригинала 9 декабря 2010 г.

Внешние ссылки

• Rezence - официальный сайт стандарта беспроводной мощности, продвигаемого Альянсом беспроводной энергии.
• Qi - официальный сайт стандарта беспроводного питания, продвигаемого Консорциумом беспроводной энергии.
• PMA - официальный сайт стандарта беспроводного питания, продвигаемого Power Matters Alliance.
• Инструкции: беспроводное питание