Беспроводной электромагнитный приемник и система беспроводной передачи энергии

Беспроводной электромагнитный приемник и система беспроводной передачи энергии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а более конкретно - к системам и компонентам, предназначенным для беспроводной передачи энергии.

Системы для передачи электромагнитной энергии делятся на излучательные и неизлучательные системы. Излучательные системы для передачи энергии основаны на использовании узконаправленных передатчиков и приеме электромагнитного излучения 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 Массачусетсом технологическим институтом была запатентована схема резонансной передачи энергии (см. патент США №7741734) [1]. В данном патенте раскрыт способ передачи электромагнитной энергии, в котором используется система из двух резонаторов, взаимодействующих через нераспространяющееся резонансное поле в ближней зоне. В указанном патенте 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 применяют 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). Это существенно ограничивает сферу возможного применения таких устройств. Другой недостаток заключается в сложности разработки электромагнитного резонатора с высокой добротностью, пригодного для функционирования на низкой резонансной частоте. В то же время для повышения эффективности передачи энергии желательно обеспечить как можно более высокую добротность.

В некоторых известных разработках вместо использования электромагнитных резонансных структур предлагается использовать механические резонаторы, которые возбуждаются магнитным полем за счет явления магнитострикции. Механические резонаторы могут иметь высокую добротность (Q~10³÷10⁴), причем в этом случае добротность слабо зависит от размера резонатора и используемой частоты. Таким образом, механические резонаторы предпочтительны для использования в малоразмерных и низкочастотных вариантах реализации.

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

Наиболее близким по своим признакам к настоящему изобретению является устройство, описанное в [2]. 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 сниженная добротность устройства, что неизбежно при использовании слоистой структуры. Уменьшение добротности в известном решении обусловлено тем, что резонируют не все слои устройства, и в нерезонирующих слоях происходит демпфирование колебаний. Другим недостатком является отсутствие средства, обеспечивающего линейность магнитострикционных свойств.

Основной задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка резонансного приемника, имеющего высокую добротность, и пригодного для малоразмерных и низкочастотных применений в заявляемой системе беспроводной передачи энергии.

Для решения поставленной задачи предлагается усовершенствованная конструкция беспроводного электромагнитного приемника, включающего в себя устройство, чувствительное к электромагнитному полю, и устройство, выполненное с возможностью преобразования механической энергии в электрическую, при этом такой приемник характеризуется тем, что чувствительное к электромагнитному полю устройство представляет собой цельный твердотельный механический резонатор, выполненный из магнитострикционного материала, а второе устройство представляет собой индуктивный преобразователь механической энергии колебаний указанного резонатора в электрическую энергию, причем такой преобразователь механически не контактирует с резонатором.

Таким образом, заявляемый приемник выполняет функцию основного компонента системы беспроводной передачи энергии и позволяет снабжать энергией маломощные устройства без использования проводов. Характерным признаком заявляемой конструкции приемника является использование механического твердотельного резонатора, выполненного сплошным (цельным) и отличающимся высокой добротностью, что позволяет осуществлять прием электромагнитной энергии на основе использования явление магнитострикции.

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 имеет смысл, чтобы указанный преобразователь был выполнен с возможностью поддержания высокой добротности указанного резонатора.

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

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

Согласно заявляемому изобретению указанный цельный твердотельный механический резонатор имеет требуемую для данного применения форму, которая выбирается так, чтобы на рабочей частоте возбуждалась механическая резонансная мода.

Согласно одному из вариантов реализации указанный цельный твердотельный механический резонатор имеет форму круглого цилиндра.

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

Согласно другому варианту реализации указанный цельный твердотельный механический резонатор имеет форму пластины.

Для эффективного функционирования беспроводного электромагнитного приемника имеет смысл, чтобы указанный твердотельный механический резонатор был выполнен с возможностью подмагничивания от постоянного магнита.

Согласно одному из вариантов выполнения указанный постоянный магнит может представлять собой керамический магнит.

Согласно заявляемому варианту изобретения указанный индуктивный преобразователь представляет собой катушку, намотанную вокруг резонатора.

Согласно заявляемому варианту изобретения витки катушки указанного индуктивного преобразователя соединены с нагрузкой.

Разработанный согласно заявляемому 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, причем указанный приемник включает в себя устройство, чувствительное к электромагнитному полю, и устройство, выполненное с возможностью преобразования механической энергии в электрическую, при этом такой приемник характеризуется тем, что чувствительное к электромагнитному полю устройство представляет собой цельный твердотельный механический резонатор, выполненный из магнитострикционного материала, а второе устройство представляет собой индуктивный преобразователь механической энергии колебаний указанного резонатора в электрическую энергию, причем такой преобразователь механически не контактирует с резонатором.

Входящий в заявленную систему беспроводной электромагнитный приемник может характеризоваться любым из вышеприведенных признаков.

Согласно одному из вариантов заявляемого изобретения 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.

Согласно другому варианту заявляемого изобретения источник переменного магнитного поля представляет собой неизлучательую нерезонансную структуру, расположенную на расстоянии, которое меньше длины волны λ=c/f, где с - скорость света.

Согласно третьему варианту заявляемого изобретения источник переменного магнитного поля представляет собой излучательную структуру с частотой f, расположенную на расстоянии, превышающем длину волны λ=c/f, где с - скорость света.

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

Фиг.1 представляет собой схему приемника с твердотельным магнитострикционным резонатором в форме сплошного цилиндра и индуктивным преобразователем энергии, где:

101 - твердотельный цилиндрический магнитострикционный резонатор в форме цилиндра;

102 - постоянный магнит;

103 - возбуждающее магнитное поле;

104 - нагрузка;

105 - катушка.

Фиг.2 представляет собой схему приемника с твердотельным магнитострикционным резонатором в форме бруска с квадратным сечением и индуктивным преобразователем энергии, где:

201 - твердотельный магнитострикционный резонатор в форме бруска;

102 - постоянный магнит;

103 - возбуждающее магнитное поле;

104 - нагрузка;

105 - катушка.

Фиг.3 представляет собой схему заявляемой системы беспроводной передачи энергии, содержащую заявляемый беспроводной электромагнитный приемник.

103 - возбуждающее магнитное поле, сгенерированное источником;

301 - источник переменного магнитного поля;

302 - приемник.

Первой функциональной частью заявленного беспроводного электромагнитного приемника 302 является твердотельный магнитострикционный резонатор 101 или 201 с постоянным магнитом 102 (см. Фиг.1 и Фиг.2). Твердотельный резонатор 101 (или 201) выполнен из магнитострикционного материала с высокой добротностью. В частности, таким магнитострикционным материалом является магнитострикционный феррит. Резонатор может иметь форму пластины, цилиндра, бруска или другую форму. Форма резонатора выбирается таким образом, чтобы на рабочей частоте f в резонаторе 1 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 предпочтительной для передачи энергии в том случае, когда энергия механических колебаний резонатора максимальна при возбужденной моде.

Резонатор 101 (см. Фиг.1) размещен в поле постоянного магнита 102, который расположен рядом с резонатором на некотором расстоянии для того, чтобы путем подмагничивания обеспечить проявление необходимых магнитострикционных свойств 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 высокоэффективные магнитострикционные материалы для заявляемого приемника.

Второй функциональной частью беспроводного электромагнитного приемника 302 является преобразователь энергии. В заявляемом решении предлагается использовать индуктивный преобразователь (см. Фиг.1 и Фиг.2), который представляет собой катушку 105, намотанную вкруг твердотельного магнитострикционного резонатора 101 или 201. Такая структура преобразователя способствует тому, чтобы сохранялась высокая добротность резонатора. Механические колебания резонатора вызывают переменное механическое напряжение, которое, в свою очередь, создает переменную составляющую намагниченности материала резонатора (обратный магнитострикционный эффект). Переменная намагниченность индуцирует колебания напряжения на концах обмотки катушки 105. Концы обмотки катушки 105 соединены с нагрузкой 104.

Заявляемый беспроводной электромагнитный приемник 302 используется как часть системы беспроводной передачи энергии.

Такая система беспроводной передачи энергии (см. Фиг.3) включает в себя источник переменного магнитного поля 301 и заявляемый беспроводной электромагнитный приемник 302, выполненный согласно настоящему изобретению, который принимает энергию от источника 301. Частота переменного поля, генерируемая источником 301, соответствует резонансной частоте приемника 302. При этом возможно использование различных источников переменного магнитного поля, в частности:

- 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=c/f.

Заявляемое изобретение может найти применение в системах беспроводной передачи энергии. В отличие от известных решений заявляемое изобретение пригодно для малоразмерных применений. Кроме того, заявляемое решение пригодно для использования в тех областях, где предпочтительна работа на низких частотах, например в сфере биологии.

1. Беспроводной электромагнитный приемник, включающий в себя устройство, чувствительное к электромагнитному полю, и устройство, выполненное с возможностью преобразования механической энергии в электрическую, отличающийся тем, что чувствительное к электромагнитному полю устройство представляет собой цельный твердотельный механический резонатор, выполненный из магнитострикционного материала, а второе устройство представляет собой индуктивный преобразователь механической энергии колебаний указанного резонатора в электрическую энергию, причем такой преобразователь механически не контактирует с резонатором.

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 бруска с квадратным сечением.

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 размещен в поле 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 индуктивный преобразователь представляет собой катушку, намотанную вокруг резонатора.

13. Приемник по п.12, отличающийся тем, что витки катушки указанного индуктивного преобразователя соединены с нагрузкой.

14. Система беспроводной передачи энергии, содержащая источник переменного магнитного поля и беспроводной электромагнитный приемник, который принимает энергию от источника переменного магнитного поля, причем указанный приемник включает в себя устройство, чувствительное к электромагнитному полю, и устройство, выполненное с возможностью преобразования механической энергии в электрическую, отличающаяся тем, что чувствительное к электромагнитному полю устройство в приемнике представляет собой цельный твердотельный механический резонатор, выполненный из магнитострикционного материала, а второе устройство представляет собой индуктивный преобразователь механической энергии колебаний указанного резонатора в электрическую энергию, причем такой преобразователь механически не контактирует с резонатором.

15. Система по п.14, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен с возможностью возбуждения от внешнего электромагнитного поля на частоте, которая соответствует резонансной частоте указанного резонатора.

16. Система по п.14, отличающаяся тем, что указанный преобразователь выполнен с возможностью поддержания высокой добротности указанного резонатора.

17. Система по п.14, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен из магнитострикционного материала с высокой добротностью, значение которой превышает 2000.

18. Система по п.17, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен из магнитострикционного феррита.

19. Система по п.14, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор имеет форму, выбираемую так, чтобы на рабочей частоте возбуждалась механическая резонансная мода.

20. Система по п.19, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен в форме цилиндра.

21. Система по п.19, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен в форме бруска с квадратным сечением.

22. Система по п.19, отличающаяся тем, что цельный твердотельный механический резонатор выполнен в форме пластины.

23. Система п.14, отличающаяся тем, что указанный цельный твердотельный механический резонатор выполнен с возможностью подмагничивания от постоянного магнита.

24. Система по п.23, отличающаяся тем, что указанный постоянный магнит выполнен из керамики.

25. Система по п.14, отличающаяся тем, что индуктивный преобразователь выполнен в виде катушки, намотанной вокруг резонатора.

26. Система по п.25, отличающаяся тем, что витки катушки указанного индуктивного преобразователя соединены с нагрузкой.

27. Система по п.14, отличающаяся тем, что источник переменного магнитного поля представляет собой неизлучательную резонансную структуру с частотой f, расположенную на расстоянии, которое меньше длины волны λ=с/f, где с - скорость света.

28. Система по п.14, 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.

29. Система по п.14, отличающаяся тем, что источник переменного магнитного поля представляет собой излучательную структуру с частотой f, расположенную на расстоянии, которое больше длины волны λ=с/f, где с - скорость света.