Устройство передачи электрической энергии и способ передачи электрической энергии

Устройство передачи электрической энергии и способ передачи электрической энергии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству передачи электрической энергии и к способу передачи электрической энергии.

Уровень техники

В последние годы увеличилось распространение устройств разведывания ресурсов в море или сетей морских датчиков землетрясений для раннего обнаружения землетрясений, и была сильная потребность в средствах подачи электрической энергии для этих устройств. Желательно применять технологию беспроводной передачи электроэнергии в качестве средств подачи электрической энергии для этих устройств, так как они окружены морской водой. Это связано с тем, что беспроводная передача позволяет избежать необходимости выводить металлическую вилку для подачи электрической энергии и возможности короткого замыкания в морской воде, которая имеет проводимость порядка 4 сименсов на метр (См/м).

В общем, катушка, полученная путем многократного наматывания провода, применяется в качестве средства беспроводной передачи и приема электрической энергии. Магнитный поток, сцепляющий катушку, генерируется путем подачи энергии переменного тока (AC) на катушку элемента передачи энергии. Далее, этот магнитный поток генерирует наведенный ток в катушке элемента приема энергии путем сцепления с катушкой элемента приема энергии, и осуществляется передача электрической энергии.

Попутно, в технологии беспроводной передачи, например, технология для осуществления коммуникации между основным телом терминального устройства и съемным электронным устройством, таким как карта памяти, с применением беспроводного миллиметрового волнового сигнала раскрыта в Патентном Документе 1. Кроме того, технология для улучшения значений индуктивности элемента передачи энергии и элемента приема энергии и для увеличения расстояния передачи электрической энергии с применением магнитной составляющей раскрыта в Патентном Документе 2. Кроме того, технология для улучшения взаимных индуктивностей элемента передачи энергии и элемента приема энергии и для увеличения расстояния передачи путем создания резонанса (резонанса магнитного поля) на той же частоте с применением катушки, имеющей высокое значение добротности (Q) раскрыта в Патентном Документе 3.

Патентные документы

Патентный документ 1: Японская не прошедшая экспертизу патентная заявка, первая публикация № 2011-022640.

Патентный документ 2: Японский патент № 4772744.

Патентный документ 3: Японская не прошедшая экспертизу патентная заявка, первая публикация № 2012-504387.

Задачи, которые должны быть решены изобретением

Тем не менее в технологии беспроводной передачи электрической энергии с применением традиционной технологии электромагнитной индукции необходимо сократить расстояние между катушкой элемента передачи энергии и катушкой элемента приема энергии практически до точки контакта, чтобы эффективно осуществлять передачу электрической энергии. Таким образом, например, сложно стабильно подавать электрическую энергию, так как выравнивание корабля не осуществляется с высокой точностью.

С другой стороны, даже в описанной выше технологии передачи на большое расстояние очевидно, что достигается только низкая эффективность передачи электрической энергии, когда технология передачи на большое расстояние в воздухе применяется к морской воде. Это основано на том факте, что проводимость и диэлектрические постоянные существенно различаются у воздуха и морской воды, и механизм передачи электрической энергии в среде отличается для передачи электрической энергии в воздухе и передачи электрической энергии в воде. Кроме того, проводимость воздуха равна 0 См/м и его диэлектрическая постоянная равна порядка 1. С другой стороны, проводимость воды равна порядка 4 См/м, а ее диэлектрическая постоянная равна порядка 81.

Здесь физические различия между случаем, когда электрическая энергия распространяется беспроводным способом в воздухе, и случаем, когда электрическая энергия распространяется беспроводным способом в воде, будут кратко описаны.

Во-первых, в случае передачи электрической энергии в воздухе практически не потребляется никакой энергии в процессе распространения в среде (воздухе). В данном случае факторы, уменьшающие эффективность передачи электрической энергии, в основном включают потери в катушке, потери совмещения между элементом передачи энергии и элементом приема энергии, потери отражения, такие как рассеяние магнитного поля, и потери излучения. В частности, в Патентном Документе 2 потери излучения эффективно подавляются путем применения феномена отсутствия излучения, при котором энергия накапливается вблизи элемента передачи/приема энергии путем применения катушки, имеющей большое значение Q.

С другой стороны, когда среда является морской водой, так как морская вода имеет определенную проводимость, происходят потери при распространении энергии в среде. Факторы, вызывающие потери энергии основаны на проводимости морской воды и на электрическом поле, возникающем в морской воде. То есть, потери возникают, когда в морской воде возникает градиент потенциала, пропорциональный произведению проводимости и напряженности электрического поля. Кроме того, так как морская вода имеет высокую проводимость, энергия, которая теряется, не достигая противоположного элемента приема энергии, возрастает, когда энергия передается не непосредственно от элемента передачи энергии в морской воде. Таким образом, для того, чтобы эффективно осуществлять передачу электрической энергии в морской воде, необходимо иметь направление, в котором поверхности противоположных катушек соединены, и формировать поток энергии, в целом перпендикулярный поверхности катушки.

В свете различий описанных выше механизмов распространения особенно сложно передать миллиметровый волновой сигнал, показанный в Патентном Документе 1 в среде с высокой проводимостью, такой как морская вода. Например, из-за того, что длина затухания в морской воде равна 100 мкм или меньше в случае миллиметрового волнового сигнала частотой 60 ГГц, невозможно осуществить распространение на 10 см или более в морской воде.

Кроме того, даже когда передача на большое расстояние применяется в морской воде с применением магнитного элемента или резонанса, как показано в Патентном Документе 2, магнитный поток увеличивается, доля магнитного поля, рассеивающаяся в морской воде, увеличивается с магнитным потоком, и в результате эффективность передачи электрической энергии не увеличивается. Кроме того, из-за феномена отсутствия излучения на уровне основ сложно применить передачу на большое расстояние в среде, имеющей высокую проводимость.

В частности, в случае традиционной технологии резонанса магнитного поля, показанной в Патентном Документе 3, возможно эффективно осуществить передачу энергии только путем приравнивания резонансных частот катушки элемента передачи энергии и катушки элемента приема энергии в воздухе. Тем не менее, из-за того, что диэлектрическая постоянная больше 81 в морской воде, влияние полного сопротивления между элементом передачи энергии и элементом приема энергии велико, и сложно осуществлять передачу энергии с использованием только простого феномена резонанса элементов приема/передачи энергии.

Кроме того, различные типы среды, как показано в таблице на Фиг. 27, также имеют относительно высокую проводимость и диэлектрические постоянные. Таким образом, аналогичная проблема может возникнуть даже когда диэлектрическая энергия передается не только в морской воде, но также и в других подобных средах.

Таким образом, данное изобретение предоставляет устройство передачи электрической энергии и способ передачи электрической энергии для решения описанных выше проблем.

Средства решения задачи

Данное изобретение было сделано для решения описанных выше проблем, и представляет собой устройство передачи электрической энергии для беспроводной передачи электрической энергии в среде с высокой проводимостью, причем устройство передачи электрической энергии включает: элемент передачи энергии, сконфигурированный для беспроводной передачи электрической энергии; и элемент приема энергии, сконфигурированный для приема электрической энергии, передаваемой беспроводным способом от элемента передачи энергии, где элемент передачи энергии и элемент приема энергии включают катушку передачи энергии; и элемент хранения, и покрывающий элемент, имеющий диэлектрик, сконфигурированный покрывать катушку передачи электрической энергии и передавать электрическую энергию путем вызывания резонанса на частоте, определяемой полным сопротивлением элемента передачи энергии, полным сопротивлением элемента приема энергии и полным сопротивлением среды с высокой проводимостью.

Кроме того, данное изобретение представляет собой способ беспроводной передачи электрической энергии в среде с высокой проводимостью, причем способ передачи электрической энергии включает: покрытие с помощью покрывающего элемента катушки передачи электрической энергии диэлектриком; беспроводную передачу, с помощью элемента передачи энергии, электрической энергии; прием, с помощью элемента приема электрической энергии, переданной беспроводным способом электрической энергии; и передачу электрической энергии посредством вызова резонанса на частоте, определяемой полным сопротивлением элемента передачи энергии, полным сопротивлением элемента приема энергии и полным сопротивлением среды с высокой проводимостью.

Эффекты изобретения

В соответствии с данным изобретением, возможно минимизировать потери электромагнитной энергии, рассеиваемой в среде с высокой проводимостью даже когда элемент передачи энергии и элемент приема энергии находятся в относительно отделенных соседних областях, и, следовательно, возможна передача на большое расстояние при беспроводной передаче электрической энергии в среде с высокой проводимостью, такой как морская вода.

Краткое описание чертежей

ФИГ. 1 является схемой, изображающей конфигурацию устройства передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.

ФИГ. 2 является эквивалентной схемой цепи для беспроводной передачи электрической энергии, когда передаваемая беспроводным способом электрическая энергия распространяется от элемента передачи энергии к элементу приема энергии в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.

ФИГ. 3 является графиком, изображающим влияние емкости компонентов элемента передачи энергии и элемента приема энергии и емкости компонента, формируемого между элементами передачи и приема энергии, на эффективность передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.

ФИГ. 4А является графиком, изображающим влияние диаметра катушки передачи энергии и отношение размеров покрывающего элемента со стороны передачи энергии на эффективность передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.

ФИГ. 4В является видом в разрезе, изображающим диаметр катушки передачи энергии и отношение размеров покрывающего элемента со стороны передачи энергии в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.

ФИГ. 5 является схемой, изображающей вектор электрического поля и вектор магнитного поля в устройстве передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.

ФИГ. 6 является схемой, изображающий вектор Умова-Пойнтинга (вектор потока энергии), генерируемый на основании вектора электрического поля и вектора магнитного поля устройства передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.

ФИГ. 7 является схемой, изображающей конфигурацию устройства передачи электрической энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения.

ФИГ. 8 является графиком, изображающим влияние отношения тангенса угла диэлектрических потерь первого диэлектрика к тангенсу угла диэлектрических потерь второго диэлектрика на эффективность передачи электрической энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения.

ФИГ. 9 является графиком, изображающим влияние диэлектрической постоянной первого диэлектрика и диэлектрической постоянной второго диэлектрика на эффективность передачи электрической энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения.

ФИГ. 10 является схемой, изображающей устройство передачи электрической энергии в соответствии с третьим вариантом осуществления данного изобретения.

ФИГ. 11 является схемой, изображающей первый пример третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 12 является схемой, изображающей второй пример третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 13 является схемой, изображающей третий пример третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 14 является схемой модели для проведения симуляций для определения эффекта устройства передачи электрической энергии из первого примера третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 15 является схематическим видом сверху элемента передачи энергии из первого примера третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 16 является графиком, изображающим результаты симуляции для определения эффективности передачи электрической энергии для первого примера третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 17А является видом сбоку в поперечном сечении, изображающим вектор электрического поля вблизи элемента передачи энергии и элемента приема энергии в первом примере третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 17В является видом сверху в поперечном разрезе, изображающим вектор электрического поля вблизи элемента передачи энергии и элемента приема энергии в первом примере третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 18А является видом сбоку в поперечном сечении, изображающим вектор магнитного поля вблизи элемента передачи энергии и элемента приема энергии в первом примере третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 18В является видом сверху в поперечном разрезе, изображающим вектор магнитного поля вблизи элемента передачи энергии и элемента приема энергии в первом примере третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 19А является видом сбоку в поперечном сечении, изображающим вектор Умова-Пойнтинга вблизи элемента передачи энергии и элемента приема энергии в первом примере третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 19В является видом сверху в поперечном разрезе, изображающим вектор Умова-Пойнтинга вблизи элемента передачи энергии и элемента приема энергии в первом примере третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 20А является видом сбоку в поперечном сечении, изображающим вектор Умова-Пойнтинга в воздухе в первом примере третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 20В является видом сверху в поперечном сечении, изображающим вектор Умова-Пойнтинга в воздухе в первом примере третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 21А является видом сбоку в поперечном сечении, изображающим вектор Умова-Пойнтинга в воздухе, когда применяется традиционная технология резонанса магнитного поля.

ФИГ. 21В является видом сверху в поперечном сечении, изображающим вектор Умова-Пойнтинга в воздухе, когда применяется традиционная технология резонанса магнитного поля.

ФИГ. 22 является схемой модели для проведения симуляций для определения эффекта устройства передачи электрической энергии из второго примера третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 23 является схемой модели спиральной катушки при виде со стороны верхней поверхности из второго примера третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 24 является схемой модели спиральной катушки при виде со стороны боковой поверхности из второго примера третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 25 является схемой модели петлевой катушки при виде со стороны верхней поверхности из второго примера третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 26 является схемой модели петлевой катушки при виде со стороны боковой поверхности из второго примера третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 27 является схемой, изображающей таблицу, в которой собраны проводимости различных типов сред, связанных с передачей электрической энергией, и диэлектрические постоянные.

ФИГ. 28 является схемой модели для проведения симуляций для определения эффекта устройства 6 передачи электрической энергии из третьего примера третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 29 является видом сбоку элемента передачи энергии из третьего примера третьего варианта осуществления данного изобретения.

ФИГ. 30 является видом модели спиральной катушки из третьего примера третьего варианта осуществления данного изобретения при виде со стороны элемента приема энергии.

ФИГ. 31 является видом модели спиральной катушки из третьего примера третьего варианта осуществления данного изобретения при виде со стороны элемента приема энергии.

ФИГ. 32 является видом модели спиральной катушки из третьего примера третьего варианта осуществления данного изобретения при виде со стороны элемента передачи энергии.

ФИГ. 33 является видом модели спиральной катушки из третьего примера третьего варианта осуществления данного изобретения при виде со стороны элемента передачи энергии.

ФИГ. 34 является графиком, изображающим результаты симуляции для определения эффективности передачи электрической энергии для третьего примера третьего варианта осуществления данного изобретения.

Варианты осуществления изобретения

Первый вариант осуществления изобретения

Здесь и далее устройство передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения будет описано со ссылкой на чертежи.

ФИГ. 1 является схемой, изображающей конфигурацию устройства передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления.

На ФИГ. 1 устройство 1 передачи электрической энергии включает элемент 11 передачи энергии и элемент 12 приема энергии. Кроме того, элемент 11 передачи энергии и элемент 12 приема энергии окружены средой 13 с высокой проводимостью. Элемент 11 передачи энергии включает катушку 111 передачи энергии и покрывающий элемент 112 со стороны передачи энергии, состоящий из диэлектрика, сконфигурированного таким образом, чтобы он покрывал катушку 111 передачи энергии. Кроме того, аналогично элементу 11 передачи энергии, элемент 12 приема энергии включает катушку 121 приема энергии и покрывающий элемент 122 со стороны приема энергии. Каждая из катушки 111 передачи энергии и катушки 121 приема энергии получаются путем многократного наматывания проводника, такого как медный провод. Хотя спиралевидная катушка, спиральная катушка или им подобная обычно используется в качестве катушки 111 передачи энергии и катушки 121 приема энергии, данный вариант осуществления этим не ограничен.

Кроме того, здесь элемент передачи энергии и элемент приема энергии в устройстве передачи электрической энергии вместе называются элементом передачи электрической энергии. Кроме того, катушка передачи энергии и катушка приема энергии вместе называются катушкой передачи электрической энергии. Здесь элемент передачи энергии может включать функцию элемента приема энергии, а элемент приема энергии может включать функцию элемента передачи энергии. Кроме того, элемент передачи энергии и элемент приема энергии имеют одинаковую конфигурацию.

Покрывающий элемент 112 со стороны передачи энергии и покрывающий элемент 122 со стороны приема энергии, например, включают диэлектрик, имеющий тангенс угла диэлектрических потерь, равный 0,01 или менее при значении диэлектрической постоянной в интервале порядка от 2 до 10, такой как полиэтилен, полиимид, полиамид, фторсодержащая смола или акрил.

Кроме того, хотя принято, что среда с высокой проводимостью является морской водой в каждом варианте осуществления, данное изобретение этим не ограничено. Например, среда с высокой проводимостью может являться веществом, имеющим значение диэлектрической постоянной более 1 при проводимости, равной 1×10^-4 См/м или меньше, таким как речная, пресная вода, водопроводная вода, почва или бетон, изображенные в таблице на ФИГ. 27.

Здесь эквивалентная схема цепи, когда электрическая энергия, передаваемая беспроводным способом от элемента 11 передачи энергии, распространяется в направлении элемента 12 приема энергии, изображена на ФИГ. 2.

ФИГ. 2 является эквивалентной схемой цепи для электрической энергии, передаваемой беспроводным способом, когда электрическая энергия, передаваемая беспроводным способом, распространяется от элемента 11 передачи энергии в направлении элемента 12 приема энергии.

Элемент 11 передачи энергии и элемент 12 приема энергии также включают элемент 113 регулирования полного сопротивления со стороны передачи энергии и элемент 123 регулирования полного сопротивления со стороны приема энергии, сконфигурированные регулировать полное сопротивление катушки 111 передачи энергии или катушки 121 приема энергии. Здесь полное сопротивление катушки 111 передачи энергии в элементе 11 передачи энергии в основном включает индуктивную составляющую L1 и емкостную составляющую C1, и они определяются формой катушки, числом витков, толщиной медного провода и значением диэлектрической постоянной и размером диэлектрика, составляющего покрывающий элемент 112 со стороны передачи энергии. Аналогично, полное сопротивление катушки 121 приема энергии в элементе 12 приема энергии также включает индуктивную составляющую L2 и емкостную составляющую C2.

Кроме того, в данном документе элемент регулирования полного сопротивления со стороны передачи энергии и элемент регулирования полного сопротивления со стороны приема энергии вместе называются просто элементом регулирования полного сопротивления.

Энергия переменного тока, подаваемая на элемент 11 передачи энергии, передается по эквивалентной цепи, составленной из описанных выше L1, L2, C1 и C2, L3 и C3, и передается к элементу 12 приема энергии. Здесь L3 является индуктивной составляющей взаимной индукции между катушкой 111 передачи энергии и катушкой 121 приема энергии, а C3 является емкостной составляющей, сконфигурированной в элементе 11 передачи энергии, элементе 12 приема энергии и среде 13 с высокой проводимостью.

С точки зрения эффективности передачи во время передачи, важно, достигается ли совпадение полного сопротивления (резонанс) на частоте энергии переменного тока, которую необходимо передать, на пути передачи. Таким образом, как изображено на ФИГ. 2, возможно осуществить регулирование таким образом, чтобы было получено совпадение полного сопротивления при произвольной частоте путем добавления каждой из емкостных составляющих С1′ регулируемой емкости элемента 113 регулирования полного сопротивления со стороны передачи энергии и каждой из емкостных составляющих С2′ регулируемой емкости элемента 123 регулирования полного сопротивления со стороны передачи энергии. Таким образом, даже когда взаимное расположение элемента 11 передачи энергии и элемента 12 приема энергии изменяется в процессе передачи энергии, и происходят отклонения значения С3, можно обеспечивать надежную передачу электрической энергии путем поддержания резонанса, если С1′ и С2′ должным образом компенсируются для данного отклонения.

Варактор (диод с переменной емкостью) может быть применен в изменяемой части емкости, и множество емкостей может быть сконфигурировано для сочетания с транзисторным переключателем.

Здесь в последующем описании сочетание емкостной составляющей, состоящее из емкостной составляющей самой катушки 111 передачи энергии и емкостной составляющей регулируемой емкости, заново обозначается как С1. Она будет описана как емкостная составляющая С1, представляющая полное сопротивление элемента 11 передачи энергии. Аналогично, сочетание емкостной составляющей, состоящее из емкостной составляющей самой катушки 121 приема энергии и емкостной составляющей регулируемой емкости, заново обозначается как С2. Она будет описана как емкостная составляющая С2, представляющая полное сопротивление элемента 12 передачи энергии.

Здесь устройство 1 передачи электрической энергии из первого варианта осуществления может достигать особенно высокой эффективности передачи электрической энергии, когда удовлетворяются предварительно заданные условия для значений емкостной составляющей С1, представляющей полное сопротивление элемента 11 передачи энергии, емкостной составляющей С2, представляющей полное сопротивление элемента 12 приема энергии, емкостной составляющей С3 емкости, сформированной элементом 11 передачи энергии, элементом 12 приема энергии и средой 13 с высокой проводимостью, расположенной между элементом 11 передачи энергии и элементом 12 приема энергии, и значения расстояния d между элементом передачи энергии и элементом приема энергии.

ФИГ. 3 является графиком, изображающим влияние емкостных составляющих элемента 11 передачи энергии и элемента 12 приема энергии и емкостной составляющей, полученной между элементами передачи и приема энергии, на эффективность передачи электрической энергии.

Из графика, изображенного на ФИГ. 3, можно увидеть, что особенно высокая эффективность передачи электрической энергии достигается, когда описанные выше С1 [пФ], C2 [пФ], С3 [пФ] и d [см] удовлетворяют следующему условию.

Математическая формула 1

.

Кроме того, в соответствии с трехмерными электромагнитными симуляциями, в данном варианте осуществления возможно удовлетворить условию Формулы (1) при условии, что площади катушки 111 передачи энергии и катушки 121 приема энергии будут равны порядка 10 см² и 30 см², и расстояние d между элементом передачи энергии и элементом 12 приема энергии будет примерно равно от 5 см до 30 см.

Более того, в первом варианте осуществления возможно получить особенно высокую эффективность передачи электрической энергии, когда отношение размеров катушки 111 передачи энергии и покрывающего элемента 112 со стороны передачи энергии, и отношение размеров катушки 121 приема энергии и покрывающего элемента 122 со стороны приема энергии удовлетворяют предварительно заданным условиям.

ФИГ. 4А является графиком, изображающим влияние внешнего диаметра катушки 111 передачи энергии и отношения размеров покрывающего элемента 112 со стороны передачи энергии на эффективность передачи электрической энергии. В соответствии с ФИГ. 4А возможно получить эффективность передачи электрической энергии, которая, по меньшей мере, на 5% больше 1, что является минимально возможным отношением, путем задания отношения d1/d2, равным 1,2 или более, как отношение размера в направлении вдоль поверхности катушки покрывающего элемента 112 со стороны передачи энергии к внешнему диаметру d2 (ФИГ. 4В) катушки 111 передачи энергии. Более того, когда желательно получить эффективность передачи электрической энергии в 10% или более, предпочтительно, чтобы значение d1/d2 было равно 1,4 или больше.

Кроме того, возможно получить схожие эффекты относительно диаметра катушки 121 приема энергии элемента 12 приема энергии и отношения размеров покрывающего элемента 122 со стороны приема энергии. Более того, если как элемент 11 передачи энергии, так и элемент 12 приема энергии удовлетворяют описанному выше условию, можно добиться большего эффекта.

Далее, работа устройства 1 передачи электрической энергии в соответствии с данным вариантом осуществления будет последовательно описана.

Сначала в элементе 11 передачи энергии источник питания переменного тока (не изображен) выдает энергию переменного тока с предварительно заданной частотой. Далее выданная энергия переменного тока подается на катушку 111 передачи энергии, и катушка 111 передачи энергии передает энергию переменного тока в виде электромагнитной энергии наружу (в среду 13 с высокой проводимостью). Далее элемент 12 приема энергии принимает передаваемую электромагнитную энергию на катушку 121 приема энергии. Здесь элемент 113 регулирования полного сопротивления со стороны передачи энергии и элемент 123 регулирования полного сопротивления со стороны приемы энергии регулируют сочетание полных сопротивлений элемента 11 передачи энергии, элемента 12 приема энергии и среды 13 с высокой проводимостью таким образом, чтобы получался резонанс на той частоте, на которой должна передаваться электрическая энергия. Электрическая энергия, принимаемая катушкой 121 приема энергии подается на конечную нагрузку (например, батарею или ей подобную), и передача электрической энергии завершается.

В устройстве 1 передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления возможно максимизировать электрическую энергию, принимаемую катушкой 121 приема энергии путем создания резонанса сочетания полных сопротивлений элемента 11 передачи энергии, элемента 12 приема энергии и среды 13 с высокой проводимостью. Кроме того, покрывающий элемент 122 со стороны приема предотвращает распространение электрического поля в среду 13 с высокой проводимостью, и, следовательно, присутствует эффект минимизации рассеивания электромагнитной энергии в среде 13 с высокой проводимостью.

ФИГ. 5 является схемой, изображающей вектор электрического поля и вектор магнитного поля в устройстве 1 передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления, а ФИГ. 6 является схемой, изображающей вектор Умова-Пойнтинга (вектор потока энергии), полученный на основании вектора электрического поля и вектора магнитного поля.

Здесь схемы, изображающие результаты симуляций электрического поля и магнитного поля, генерируемых между элементом 11 передачи энергии и элементом 12 приема энергии во время передачи электрической энергии, изображены на ФИГ. 5 и 6. Как изображено на ФИГ. 5, в устройстве 1 передачи электрической энергии из данного варианта осуществления электрическое поле и магнитное поле могут быть практически параллельными поверхности катушки. В результате, как изображено на ФИГ. 6, можно получить практически перпендикулярный вектор Умова-Пойнтинга (вектор потока электромагнитной энергии) от элемента 11 передачи энергии к элементу 12 приема энергии.

Из сказанного выше, в соответствии с устройством 1 передачи электрической энергии, основанном на первом варианте осуществления, возможно минимизировать рассеяние электромагнитной энергии в среде с высокой проводимостью даже когда элемент 11 передачи энергии и элемент 12 передачи энергии расположены на расстоянии друг от друга, и, следовательно, возможна передача на большое расстояние электрической энергии беспроводным способом в среде с высокой проводимостью, такой как морская вода.

Второй вариант осуществления изобретения

ФИГ. 7 является схемой, изображающей конфигурацию устройства передачи электрической энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения.

Далее будет описано устройство передачи электрической энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления со ссылкой на чертежи.

На ФИГ. 7 устройство 2 передачи электрической энергии включает элемент 21 передачи энергии и элемент 22 приема энергии. Кроме того, элемент 21 передачи энергии и элемент 22 приема энергии окружены средой 23 с высокой проводимостью. Элемент 21 передачи энергии включает катушку 211 передачи энергии и первый покрывающий элемент 212 со стороны передачи энергии, состоящий из первого диэлектрика, сконфигурированного таким образом, чтобы покрывать катушку 211 передачи энергии, и также включает второй покрывающий элемент 213 со стороны передачи энергии, состоящий из второго диэлектрика, сконфигурированного таким образом, чтобы покрывать первый покрывающий элемент 212 со стороны передачи энергии. Кроме того, аналогично элементу 21 передачи энергии, элемент 22 приема энергии включает катушку 221 приема энергии, первый покрывающий элемент 222 со стороны приема энергии и второй покрывающий элемент 223 со стороны приема энергии.

Кроме того, в данном документе первый покрывающий элемент со стороны передачи энергии и первый покрывающий элемент со стороны приема энергии вместе называются первым покрывающим элементом, а второй покрывающий элемент со стороны передачи энергии и второй покрывающий элемент со стороны приема энергии вместе называются вторым покрывающим элементом.

Первый покрывающий элемент 212 со стороны передачи энергии, второй покрывающий элемент 213 со стороны передачи энергии, первый покрывающий элемент 222 со стороны приема энергии и второй покрывающий элемент 223 со стороны приема энергии, например, включают диэлектрик, имеющий тангенс угла диэлектрических потерь, равный 0,01 или менее при значении диэлектрической постоянной в интервале порядка от 2 до 10, такой как полиэтилен, полиимид, полиамид, фторсодержащая смола или акрил.

Кроме того, в устройстве 2 передачи электрической энергии из второго варианта осуществления значение диэлектрической постоянной первого диэлектрика, составляющего первый покрывающий элемент 212 со стороны передачи энергии, и значение диэлектрической постоянной второго диэлектрика, составляющего второй покрывающий элемент 213 со стороны передачи энергии, могут отличаться или быть равны. Кроме того, тангенс диэлектрических потерь первого диэлектрика, составляющего первый покрывающий элемент 212 со стороны передачи энергии, и тангенс диэлектрических потерь второго диэлектрика, составляющего второй покрывающий элемент 213 со стороны передачи энергии, могут отличаться или быть равны. То же самое верно и для первого диэлектрика, составляющего первый покрывающий элемент 222 со стороны приема энергии, и второго диэлектрика, составляющего второй покрывающий элемент 223 со стороны приема энергии.

Кроме того, хотя как элемент 21 передачи энергии, так и элемент 22 приема энергии раскрыты как структуры, имеющие первый покрывающий элемент и второй покрывающий элемент на ФИГ. 7, изображающей конфигурацию устройства 2 передачи электрической энергии, также возможно, чтобы только один из элемента 21 передачи энергии и элемента 22 приема энергии имел структуру, имеющую первый покрывающий элемент и второй покрывающий элемент во втором варианте осуществления.

Кроме того, элемент регулирования полного сопротивления, описанный для первого варианта осуществления, может быть также обеспечен в устройстве 2 передачи электрической энергии из данного варианта осуществления.

Здесь, в устройстве 2 передачи электрической энергии из второго варианта осуществления возможно получить большую эффективность передачи электрической энергии, когда тангенсы углов диэлектрических потерь диэлектриков, составляющих первый покрывающий элемент 212 со стороны передачи энергии и второй покрывающий элемент 213 со стороны передачи энергии удовлетворяют предварительно заданным условиям.

ФИГ. 8 является графиком, изображающим влияние отношения между тангенсом угла диэлектрических потерь первого диэлектрика и тангенсом угла диэлектрических потерь второго диэлектрика на эффективность передачи электрической энергии.

Как изображено на ФИГ. 8, можно увидеть, что большая эффективность передачи электрической энергии получается путем задания тангенса угла диэлектрических потерь второго диэлектрика большим, чем тангенс угла диэлектрических потерь первого диэлектрика. Это делает возможным добиться эффекта предотвращения выхода электрического поля в среду 23 с высокой проводимостью с помощью второго диэлектрика, составляющего второй покрывающий элемент 213 со стороны передачи энергии (второй покрывающий элем