Способ, система и устройство для беспроводной передачи энергии (варианты)

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться для беспроводной передачи энергии на средние расстояния. Достигаемый технический результат - повышение КПД в системах беспроводной передачи энергии. Предложены три варианта устройства для беспроводной передачи энергии, один из которых включает в себя: по меньшей мере, один твердотельный магнитострикционный резонатор в форме стержня; по меньшей мере, один стержень из мягкого магнитного материала, расположенный в непосредственной близости от указанного резонатора на расстоянии, не превышающем его длину; по меньшей мере, одну преобразующую катушку, намотанную вокруг или расположенную вблизи указанного резонатора или стержня из мягкого магнитного материала на расстоянии, не превышающем длину резонатора или стержня, а также два варианта способа согласования устройств для беспроводной передачи энергии и три варианта системы, основанной на применении заявленных способов и включающей в себя заявленные устройства. 8 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к электротехнике, а более конкретно - к способам и устройствам для беспроводной передачи энергии на средние расстояния.

Технология беспроводной передачи энергии (БПЭ) на средние расстояния, в частности, с помощью связанных резонаторов, базируется на обмене энергией между связанными высокодобротными резонирующими структурами [1, 2]. КПД передачи энергии определяется добротностью резонаторов и степенью связи между ними. Более высокая добротность и более высокая степень связи между резонаторами позволяют обеспечивать достижение более высокого КПД передачи энергии.

Большинство резонаторов, используемых для БПЭ, представляет собой резонансные LC-цепи (здесь и далее "LC" означает "индуктивно-емкостной") с индуктивностью в виде катушки или петли из проводника. При этом связь между резонаторами является индуктивной. Разработка высокодобротного LC-резонатора с размерами порядка 1 см, пригодного для использования в системах БПЭ, становится сложной задачей на частотах менее 1 МГц. Понижение резонансной частоты требует увеличения индуктивности и/или увеличения емкости. При наличии ограничений на размер резонатора это приводит к увеличению потерь в индукторе и/или конденсаторе. Поэтому разработка высокодобротного LC-резонатора с размерами порядка 1 см и резонансной частотой менее 1 МГц требует тщательной и трудоемкой оптимизации параметров резонатора [3].

Из уровня техники, помимо решений [1] - [3], известны альтернативные подходы, описанные в [4] - [9]. Эти подходы основаны на использовании слоистых композитов из пьезоэлектрических и магнитострикционных материалов. Слои магнитострикционного материала используются для возбуждения механических колебаний внешним магнитным полем. Слои из пьезоэлектрического материала используются для преобразования механической энергии в электрическую энергию. У данного подхода есть два недостатка. Во-первых, композиционная структура резонаторов приводит к снижению их добротности. Во-вторых, отсутствует универсальный способ согласования этих устройств с различными электрическими нагрузками.

Наиболее близкими к заявляемому изобретению признаками обладает техническое решение, предложенное в [10], где описано устройство для БПЭ, состоящее из твердотельного магнитострикционного резонатора и преобразующей катушки, используемой для преобразования энергии механических колебаний в электрическую энергию. В данном подходе проблема понижения добротности при уменьшении размеров резонаторов решается за счет использования твердотельных резонаторов. Добротность твердотельных резонаторов относительно высока (порядка 103) и не зависит от их размера. Недостаток такого подхода заключается в отсутствии возможности масштабирования при сохранении заданного КПД. Кажется естественным, что увеличение размера приемного или передающего устройства для БПЭ ведет к увеличению КПД и передаваемой мощности. Однако это утверждение является некорректным в отношении устройств, основанных на использовании твердотельных магнитострикционных резонаторов (МСР). Резонансная частота и магнитные свойства таких резонаторов находятся в прямой зависимости от их размеров. Например, если удвоить длину такого резонатора, имеющего форму стержня, его резонансная частота уменьшится приблизительно в два раза, что приведет к уменьшению КПД системы БПЭ. Если же у такого резонатора в форме стержня увеличить площадь поперечного сечения, то его эффективная магнитная проницаемость уменьшится, что приведет к уменьшению связи между резонаторами в системе БПЭ и, следовательно, к уменьшению КПД. Таким образом, основным недостатком описанного в [10] решения является отсутствие возможности увеличения размеров устройств, основанных на МСР, при улучшении или, хотя бы, сохранении характеристик таких устройств.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение КПД в системах БПЭ, включающих в себя устройства, основанные на магнитострикционных резонаторах, при увеличении размеров указанных устройств, и обеспечение эффективного согласования указанных устройств с различными источниками и нагрузками.

Технический результат достигается за счет разработки нескольких, связанных единым изобретательским замыслом, вариантов решения вышеуказанной задачи. При этом в одном из вариантов заявляется устройство для беспроводной передачи энергии, содержащее:

по меньшей мере, один твердотельный магнитострикционный резонатор в форме стержня;

по меньшей мере, один стержень из мягкого магнитного материала, расположенный в непосредственной близости от указанного резонатора на расстоянии, не превышающем длину резонатора;

по меньшей мере, одну преобразующую катушку, намотанную вокруг или расположенную вблизи указанного резонатора или стержня из мягкого магнитного материала на расстоянии, не превышающем их длину.

В другом варианте заявляется устройство для беспроводной передачи энергии, содержащее:

по меньшей мере, два твердотельных магнитострикционных резонатора в форме стержня, имеющих одинаковые резонансные частоты, расположенные в одну линию или параллельными рядами в непосредственной близости один от другого на расстоянии, не превышающем их длину;

по меньшей мере, одну преобразующую катушку, намотанную вокруг или расположенную вблизи одного из указанных резонаторов на расстоянии, не превышающем его длину.

В третьем варианте заявляется устройство для беспроводной передачи энергии, содержащее:

двумерный или трехмерный массив элементов в форме стержня, расположенных параллельно друг другу, в котором каждый элемент представляет собой либо твердотельный магнитострикционный резонатор, либо стержень из мягкого магнитного материала;

по меньшей мере, одну преобразующую катушку, намотанную вокруг или расположенную вблизи одного из элементов указанного массива на расстоянии, не превышающем длину этого элемента.

Главная составная часть заявляемых устройств - магнитострикционный резонатор в форме стержня, обладающий остаточной намагниченностью или подмагниченный внешним постоянным магнитом. Некоторые из заявляемых устройств включают в себя несколько магнитострикционных резонаторов с одинаковыми резонансными частотами. Вторая составная часть заявляемых устройств - преобразующая катушка, намотанная вокруг резонатора или расположенная вблизи резонатора, которая служит для преобразования энергии механических колебаний в электрическую энергию и наоборот.

Заявляемые устройства предполагается использовать в качестве компонентов систем БПЭ, основанных на обмене энергией между связанными резонаторами. В таких системах заявляемые устройства могут быть использованы как для приема, так и для передачи энергии. В случае, когда заявляемые устройства используются для передачи энергии, магнитострикционный резонатор возбуждается переменным магнитным полем, создаваемым током в преобразующей катушке. В случае, когда заявляемые устройства используются для приема энергии, магнитострикционный резонатор возбуждается переменным магнитным полем, создаваемым внешним источником.

Ниже описываются примеры предпочтительной реализации этих трех устройств, в которых применены различные базовые способы увеличения КПД вышеуказанных систем БПЭ.

Первое устройство состоит из магнитострикционного резонатора в форме стержня и ферритового стержня с высокой проницаемостью, причем эти элементы расположены в одну линию в непосредственной близости один от другого на расстоянии, не превышающем длину резонатора. Ферритовый стержень с высокой проницаемостью играет роль концентратора магнитного поля. Близкое расположение резонатора и ферритового стержня позволяет сформировать магнитную цепь, в которой большая часть магнитного потока, выходящего из ферритового стержня, проходит через резонатор. Это приводит к увеличению амплитуды магнитного поля в резонаторе, и, следовательно, к увеличению связи между приемной и передающей частями системы БПЭ. Увеличение связи, в свою очередь, приводит к увеличению КПД системы БПЭ. Преобразующая катушка в данном устройстве может быть расположена вблизи резонатора или ферритового стержня на расстоянии, не превышающем их длину, либо намотана вокруг резонатора или ферритового стержня.

Второе устройство состоит из нескольких магнитострикционных резонаторов в форме стержня, имеющих одинаковые резонансные частоты, расположенных в одну линию в непосредственной близости один от другого на расстоянии, не превышающем их длину. Увеличение количества резонаторов в устройстве означает увеличение количества связанных резонирующих элементов в системе БПЭ, что в свою очередь приводит к увеличению КПД системы. Кроме того, расположение в одну линию позволяет снизить эффект размагничивания в резонаторах, что приводит к увеличению амплитуды поля в резонаторах, увеличению связи между приемной и передающей частями системы БПЭ, и, следовательно, к увеличению КПД системы. Преобразующая катушка в данном устройстве может быть расположена вблизи одного из резонаторов на расстоянии, не превышающем его длину, или намотана вокруг любого из резонаторов.

Третье устройство состоит из нескольких магнитострикционных резонаторов в форме стержня, имеющих одинаковые резонансные частоты, расположенных в один ряд параллельно друг другу. Расстояние между резонаторами должно обеспечивать сильную связь между ними. Сильная связь между резонаторами означает, что обмен энергией между ними происходит быстрее, чем диссипация энергии. Данный подход также основан на увеличении количества связанных элементов в системе БПЭ и увеличении КПД вследствие улучшения связи. Преобразующая катушка в данном устройстве может быть расположена вблизи одного из резонаторов на расстоянии, не превышающем его длину, или намотана вокруг любого из резонаторов.

Для практического применения вышеописанных устройств необходимо разработать способ их согласования с различными источниками и нагрузками. В качестве технического результата заявляются два варианта такого способа, основанные на одной и той же идее.

В одном из заявляемых вариантов предложен способ согласования устройств для беспроводной передачи энергии, содержащих, по меньшей мере, один магнитострикционный резонатор и преобразующую катушку, заключающийся в том, что:

- измеряют мощность, переданную устройством, если устройство используется для передачи энергии, или принятую устройством, если устройство используется для приема энергии;

- изменяют число витков в преобразующей катушке до тех пор, пока измеренная мощность не станет максимальной.

Во втором варианте предложен способ согласования устройств для беспроводной передачи энергии, содержащих, по меньшей мере, один магнитострикционный резонатор и преобразующую катушку, заключающийся в том, что:

- измеряют мощность, переданную устройством, если устройство используется для передачи энергии, или принятую устройством, если устройство используется для приема энергии;

- изменяют взаимное положение преобразующей катушки и магнитострикционного резонатора до тех пор, пока измеренная мощность не станет максимальной.

Ток в преобразующей катушке создает магнитное поле в резонаторе, которое вызывает дополнительные деформации вдобавок к деформациям из-за колебаний резонатора. Если катушка присоединена к электрической нагрузке, деформации, вызванные током в катушке, противоположны деформациям из-за колебаний резонатора, и электрическая нагрузка работает как механический демпфер. Если катушка присоединена к генератору, деформации, вызванные током в катушке, сонаправлены с деформациями из-за колебаний резонатора, и генератор работает как механическая сила, возбуждающая резонатор. Механическая нагрузка на резонатор в первом случае и электрическая нагрузка на генераторе во втором случае определяются магнитным потоком через преобразующую катушку. В свою очередь, магнитный поток определяется количеством витков в катушке и взаимным расположением катушки и резонатора. Первый способ согласования описанных устройств заключается в изменении количества витков в преобразующей катушке. Второй способ заключается в изменении положения преобразующей катушки относительно резонатора.

Подходы, реализованные в трех описанных устройствах, основаны на базовых способах увеличения КПД посредством увеличения размеров устройства. Эти подходы могут быть использованы одновременно в любых комбинациях в устройстве, представляющем собой двумерный или трехмерный массив элементов, имеющих форму стержней, расположенных параллельно друг другу и представляющих собой либо магнитострикционный резонатор, либо ферритовый стержень с высокой проницаемостью.

Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание со ссылками на соответствующие графические материалы.

На Фиг.1 представлено устройство для БПЭ, включающее в себя магнитострикционный резонатор в форме стержня и ферритовый стержень с высокой проницаемостью, расположенные в одну линию в непосредственной близости один от другого, где:

11 - магнитострикционный резонатор в форме стержня;

12 - преобразующая катушка;

13 - ферритовый стержень с высокой проницаемостью.

На Фиг.2 представлена система БПЭ с приемной частью, представляющей собой магнитострикционный резонатор в форме стержня и ферритовый стержень с высокой проницаемостью, расположенные в одну линию в непосредственной близости друг от друга, где:

21 - магнитострикционный резонатор в форме стержня в приемной части;

22 - преобразующая катушка;

23 - ферритовый стержень с высокой проницаемостью в приемной части;

24 - витки катушки, образующие индуктивность LC-резонатора в передающей части;

25 - ферритовый сердечник индуктивности LC-резонатора в передающей части;

26 - согласующая обмотка в передающей части;

27 - конденсатор LC-резонатора в передающей части.

На Фиг.3 представлены результаты измерений КПД для двух систем БПЭ: системы с приемной частью, включающей в себя единичный магнитострикционный резонатор, и системы с приемной частью, представляющей собой магнитострикционный резонатор в форме стержня, и ферритовый стержень с высокой проницаемостью, расположенные в одну линию в непосредственной близости друг от друга.

На Фиг.4 представлено устройство для БПЭ, включающее в себя два магнитострикционных резонатора в форме стержня с одинаковыми резонансными частотами, расположенные в одну линию в непосредственной близости друг от друга, где:

41 - первый магнитострикционный резонатор в форме стержня;

42 - преобразующая катушка;

43 - второй магнитострикционный резонатор в форме стержня.

На Фиг.5 представлена система БПЭ с приемной частью, представляющей собой два магнитострикционных резонатора в форме стержня с одинаковыми резонансными частотами, расположенные в одну линию в непосредственной близости друг от друга, где:

51 - первый магнитострикционный резонатор в форме стержня;

52 - преобразующая катушка;

53 - второй магнитострикционный резонатор в форме стержня;

54 - витки катушки, образующие индуктивность LC-резонатора в передающей части;

55 - ферритовый сердечник индуктивности LC-резонатора в передающей части;

56 - согласующая обмотка в передающей части;

57 - конденсатор LC-резонатора в передающей части.

На Фиг.6 представлены результаты измерений КПД для двух систем БПЭ: системы с приемной частью, включающей в себя единичный магнитострикционный резонатор, и системы с приемной частью, представляющей собой два магнитострикционных резонатора в форме стержня с одинаковыми резонансными частотами, расположенные в одну линию в непосредственной близости друг от друга.

На Фиг.7 представлено устройство для БПЭ, включающее в себя два магнитострикционных резонатора в форме стержня с одинаковыми резонансными частотами, расположенные в один ряд параллельно друг другу, где:

71 - первый магнитострикционный резонатор в форме стержня;

72 - преобразующая катушка;

73 - второй магнитострикционный резонатор в форме стержня.

На Фиг.8 представлена система БПЭ с приемной частью, представляющей собой два магнитострикционных резонатора в форме стержня с одинаковыми резонансными частотами, расположенные в один ряд параллельно друг другу, где:

81 - первый магнитострикционный резонатор в форме стержня;

82 - преобразующая катушка;

83 - второй магнитострикционный резонатор в форме стержня;

84 - витки катушки, образующие индуктивность LC-резонатора в передающей части;

85 - ферритовый сердечник индуктивности LC-резонатора в передающей части;

86 - согласующая обмотка в передающей части;

87 - конденсатор LC-резонатора в передающей части.

На Фиг.9 представлены результаты измерений КПД для двух систем БПЭ: системы с приемной частью, включающей в себя единичный магнитострикционный резонатор, и системы с приемной частью, представляющей собой два магнитострикционных резонатора в форме стержня с одинаковыми резонансными частотами, расположенные в один ряд параллельно друг другу.

Представленное на Фиг.1 первое устройство было реализовано на основе магнитострикционного резонатора в форме стержня и ферритового стержня с высокой проницаемостью, расположенных в одну линию в непосредственной близости друг от друга. Преобразующая катушка в данном устройстве может быть расположена вблизи резонатора или ферритового стержня на расстоянии, не превышающем их длину, либо намотана вокруг резонатора или ферритового стержня. В данном примере реализации этого устройства преобразующая катушка 12 была намотана вокруг магнитострикционного резонатора 11, причем магнитострикционный резонатор 11 представлял собой трубку из магнитострикционного феррита. Резонатор обладал циркулярной остаточной намагниченностью и работал в режиме крутильных колебаний. Ферритовый стержень с высокой проницаемостью 13 обладал магнитной проницаемостью, примерно равной 400, в то время как магнитная проницаемость магнитострикционного резонатора примерно равнялась 30.

Это первое устройство было реализовано как приемная часть в системе БПЭ (Фиг.2), где передающая часть представляла собой LC-резонатор. Передающая часть состояла из катушки 24, намотанной вокруг ферритовой пластины 25 и соединенной с конденсатором 27. Емкость конденсатора 27 была выбрана так, чтобы резонансная частота LC-резонатора равнялась резонансной частоте магнитострикционного резонатора. LC-резонатор возбуждался генератором через согласующую обмотку 26, намотанную вокруг ферритовой пластины 25. Размеры ферритовой пластины 25 были 45×20×3 мм. Расстояние между приемной и передающей частями системы было 2 см. Длина и диаметр магнитострикционного резонатора 21 были 1 см и 3,5 мм, соответственно. Преобразующая катушка 22 была намотана вокруг магнитострикционного резонатора 21. В этой системе ферритовый стержень с высокой проницаемостью 23 работал как концентратор магнитного потока. Из-за наличия этого стержня вблизи магнитострикционного резонатора магнитное поле, возбуждающее резонатор, было существенно увеличено (амплитуда магнитного поля В возросла в 1,6 раз, согласно результатам моделирования). Это привело к увеличению связи между приемной и передающей частями системы, что в свою очередь привело к увеличению КПД.

Характеристики данного устройства сравнивались с характеристиками единичного магнитострикционного резонатора (без ферритового стержня) в аналогичной системе БПЭ. КПД в системах измерялся с помощью анализатора цепей. Результаты измерения КПД представлены на Фиг.3. Как можно видеть из Фиг.3, КПД в системе с предложенным устройством существенно выше, чем КПД в системе с магнитострикционным резонатором без ферритового стержня.

Второе реализованное в качестве примера устройство состоит из нескольких магнитострикционных резонаторов в форме стержня, имеющих одинаковые резонансные частоты, расположенных в одну линию на расстоянии менее 1 мм друг от друга (см. Фиг.4). Преобразующая катушка в данном устройстве может быть расположена вблизи одного из резонаторов на расстоянии, не превышающем его длину, или намотана вокруг любого из резонаторов. Реализация этого устройства включала в себя два идентичных магнитострикционных резонатора 41 и 43, представляющих собой трубки из магнитострикционного феррита. Резонаторы обладали циркулярной остаточной намагниченностью и работали в режиме крутильных колебаний. Резонаторы были расположены в одну линию в непосредственной близости друг от друга. Преобразующая катушка 42 была намотана вокруг одного из резонаторов.

Второе устройство было реализовано в качестве приемной части системы БПЭ (Фиг.5), где передающая часть представляла собой LC-резонатор. Передающая часть состояла из катушки 54, намотанной вокруг ферритовой пластины 55 и соединенной с конденсатором 57. Емкость конденсатора 57 была выбрана таким образом, чтобы резонансная частота LC-резонатора равнялась резонансной частоте магнитострикционного резонатора. LC-резонатор возбуждался генератором через согласующую обмотку 56, намотанную вокруг ферритовой пластины 55. Размеры ферритовой пластины 55 были 45×20×3 мм. Расстояние между приемной и передающей частями системы было 2 см. Длина и диаметр магнитострикционного резонатора 51 были 1 см и 3,5 мм, соответственно. Преобразующая катушка 52 была намотана вокруг магнитострикционного резонатора 51. Благодаря наличию второго магнитострикционного резонатора 53 увеличилось число резонаторов в приемной части, связанных с передающей частью. Кроме того, расположение резонаторов в одну линию в непосредственной близости друг от друга привело к снижению эффекта размагничивания в резонаторах и увеличило амплитуду возбуждающего магнитного поля. Эти два фактора привели к увеличению связи между приемной и передающей частями системы, что в свою очередь привело к увеличению КПД.

Характеристики данного устройства сравнивались с характеристиками единичного магнитострикционного резонатора (без второго резонатора) в аналогичной системе БПЭ. КПД в системах измерялся с помощью анализатора цепей. Результаты измерения КПД представлены на Фиг.6. Как можно видеть из Фиг.6, КПД в системе с предложенным устройством существенно выше, чем КПД в системе с единичным магнитострикционным резонатором.

Третье устройство состоит из нескольких магнитострикционных резонаторов в форме стержня, имеющих одинаковые резонансные частоты, расположенных в один ряд параллельно друг другу на таком расстоянии, что обмен энергией между ними происходит быстрее, чем диссипация энергии. Преобразующая катушка в данном устройстве может быть расположена вблизи или намотана вокруг любого из резонаторов. Реализация этого устройства (Фиг.7) включала в себя два идентичных магнитострикционных резонатора 71 и 73, представляющих собой трубки из магнитострикционного феррита. Резонаторы обладали циркулярной остаточной намагниченностью и работали в режиме крутильных колебаний. Резонаторы были расположены в один ряд параллельно друг другу на расстоянии, примерно равном половине их длины. Преобразующая катушка 72 была намотана вокруг одного из резонаторов.

Третье устройство было также реализовано в качестве приемной части в системе БПЭ (Фиг.8), где передающая часть представляла собой LC-резонатор. Передающая часть состояла из катушки 84, намотанной вокруг ферритовой пластины 85 и соединенной с конденсатором 87. Емкость конденсатора 87 была выбрана так, чтобы резонансная частота LC-резонатора равнялась резонансной частоте магнитострикционного резонатора. LC-резонатор возбуждался генератором через согласующую обмотку 56, намотанную вокруг ферритовой пластины 85. Размеры ферритовой пластины 85 были 45×20×3 мм. Расстояние между приемной и передающей частями системы было 2 см. Длина и диаметр магнитострикционного резонатора 81 были 1 см и 3,5 мм, соответственно. Преобразующая катушка 82 была намотана вокруг магнитострикционного резонатора 81. Благодаря наличию второго магнитострикционного резонатора 83 увеличилось количество резонаторов в приемной части, связанных с передающей частью. Благодаря сильной связи между резонаторами обмен энергией между ними был быстрее, чем диссипация, и два резонатора работали как единый приемный элемент в системе БПЭ. Увеличение количества резонирующих элементов в приемной части системы, связанных с передающей частью, привело к увеличению связи между приемной и передающей частями системы, что в свою очередь привело к увеличению КПД.

Характеристики данного устройства сравнивались с характеристиками единичного магнитострикционного резонатора (без второго резонатора) в аналогичной системе БПЭ. КПД в системах измерялся с помощью анализатора цепей. Результаты измерения КПД представлены на Фиг.9. Как можно видеть из Фиг.9, КПД в системе с предложенным устройством существенно выше, чем КПД в системе с единичным магнитострикционным резонатором.

Оба предложенных способа согласования были использованы в описанных реализациях. На первом этапе преобразующие катушки 22, 52 и 82 с различным количеством витков перебирались до достижения грубого согласования системы. На втором этапе точное согласование достигалось путем перемещения преобразующих катушек вдоль резонаторов.

Вышеизложенное изобретение может быть использовано в приложениях беспроводной передачи энергии, таких как:

- беспроводное питание имплантируемых биомедицинских устройств;

- беспроводное питание датчиков в стенах, опасных средах и т.д.;

- беспроводная зарядка компактных маломощных мобильных устройств, таких как носимые аудиосистемы, слуховые аппараты, и т.д.

Ссылки

1. Kurs, A., Karalis, A., Moffatt, R., Joannopoulos, J.D., Fisher, P., & Soljacic M. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances. Science 317, no. 5834, 83-86 (2007).

2. Joannopoulos, J.D., Karalis, A., & Soljacic, M. Wireless non-radiative energy transfer. US Patent 7,741,734.

3. RamRakhyani, A.K., Mirabbasi, S., & Chiao M. Design and optimization of resonance-based efficient wireless power delivery systems for biomedical implants. IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst. 5, no. 1, 48-63 (2011).

4. Bayrashev, A., Robbins, W.P., & Ziaie B. Low frequency wireless powering of microsystems using piezoelectric-magnetostrictive laminate composites. Sensors and Actuators A 114,244-249 (2004).

5. Cook, N.P. et al. Transmitters and receivers for wireless energy transfer. US Patent Application 12/211,706.

6. Liu, Y. et al. Wireless transfer of information using magneto-electric devices. US Patent Application 12/505,151.

7. O'Handley, R. C, Huang, J. K., Bono, D. C, & Simon, J. Improved wireless transcutaneous power transmission for in vivo applications. IEEE Sensors Journal 8, no. 1, 57-62 (2008).

8. Bian, L., Wen, Y., Li, P., Gao, Q., & Zheng, M. Magnetoelectric transducer with high quality factor for wireless power receiving. Sensors and Actuators A: Physical 150, no. 2, 207-211 (2009).

9. Transmitter head and system for contactless energy transmission, US Patent 7,492,247

10. Chernokalov, A, Makurin, M., Olyunin, N., Arkhipenkov, V., Kim, K.-Y., & Song, K.-S. Magnetostrictive resonators for wireless energy transfer. Progress In Electromagnetics Research Symposium Abstracts, Moscow, Russia, August 19-23, 2012.

1. Устройство для беспроводной передачи энергии, содержащее
- по меньшей мере, один твердотельный магнитострикционный резонатор в форме стержня;
- по меньшей мере, один стержень из мягкого магнитного материала, расположенный в непосредственной близости от указанного резонатора на расстоянии, не превышающем длину резонатора;
- по меньшей мере, одну преобразующую катушку, намотанную вокруг или расположенную вблизи указанного резонатора или стержня из мягкого магнитного материала на расстоянии, не превышающем их длину.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стержень из мягкого магнитного материала представляет собой ферритовый стержень с высокой проницаемостью.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что указанный магнитострикционный резонатор и ферритовый стержень с высокой проницаемостью размещены в одну линию.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитострикционный резонатор представляет собой трубчатой формы стержень, выполненный из магнитострикционного феррита.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный магнитострикционный резонатор обладает циркулярной остаточной намагниченностью и выполнен с возможностью работы в режиме крутильных колебаний.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что указанный ферритовый стержень с высокой проницаемостью имеет цилиндрическую форму с размерами, близкими к размеру резонатора.

7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что концы указанного магнитострикционного резонатора и ферритового стержня расположены близко один от другого на расстоянии, не превышающем длину резонатора.

8. Устройство для беспроводной передачи энергии, содержащее:
- по меньшей мере, два твердотельных магнитострикционных резонатора, выполненных в форме стержня, имеющих одинаковые резонансные частоты и расположенных в одну линию или параллельными рядами в непосредственной близости один от другого на расстоянии, не превышающем их длину;
- по меньшей мере, одну преобразующую катушку, намотанную вокруг или расположенную вблизи одного из указанных резонаторов на расстоянии, не превышающем его длину.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что магнитострикционный резонатор представляет собой трубчатой формы стержень, выполненный из магнитострикционного феррита.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что указанный магнитострикционный резонатор обладает циркулярной остаточной намагниченностью и выполнен с возможностью работы в режиме крутильных колебаний.

11. Устройство для беспроводной передачи энергии, содержащее:
- двумерный или трехмерный массив элементов в форме стержней, расположенных параллельно друг другу, в котором каждый элемент представляет собой либо твердотельный магнитострикционный резонатор, либо стержень из мягкого магнитного материала;
- по меньшей мере, одну преобразующую катушку, намотанную вокруг или расположенную вблизи одного из элементов указанного массива на расстоянии, не превышающем длину этого элемента.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что указанные магнитострикционные резонаторы имеют одинаковые резонансные частоты.

13. Способ согласования устройств для беспроводной передачи энергии, содержащих, по меньшей мере, один магнитострикционный резонатор и преобразующую катушку, заключающийся в том, что:
- измеряют мощность, переданную устройством, если устройство используется для передачи энергии, или полученную устройством, если устройство используется для приема энергии;
изменяют количество витков в преобразующей катушке до тех пор, пока измеренная мощность не станет максимальной.

14. Способ согласования устройств для беспроводной передачи энергии, содержащих, по меньшей мере, один магнитострикционный резонатор и преобразующую катушку, заключающийся в том, что
- измеряют мощность, переданную устройством, если устройство используется для передачи энергии, или полученную устройством, если устройство используется для приема энергии;
- изменяют взаимное расположение преобразующей катушки и магнитострикционного резонатора до тех пор, пока измеренная мощность не станет максимальной.

15. Система беспроводной передачи энергии, в которой передающая и/или приемная часть представляет собой устройство для беспроводной передачи энергии, содержащее:
- по меньшей мере, один твердотельный магнитострикционный резонатор в форме стержня;
- по меньшей мере, один стержень из мягкого магнитного материала, расположенный в непосредственной близости от указанного резонатора на расстоянии, не превышающем длину резонатора;
- по меньшей мере, одну преобразующую катушку, намотанную вокруг или расположенную вблизи указанного резонатора или стержня из мягкого магнитного материала на расстоянии, не превышающем длину резонатора или стержня.

16. Система по п.15, отличающаяся тем, что стержень из мягкого магнитного материала представляет собой ферритовый стержень с высокой проницаемостью.

17. Система по п.16, отличающаяся тем, что указанный магнитострикционный резонатор и ферритовый стержень с высокой проницаемостью размещены в линию.

18. Система по п.16, отличающаяся тем, что указанный ферритовый стержень с высокой проницаемостью имеет цилиндрическую форму с размерами, близкими к размеру резонатора.

19. Система по п.16, отличающаяся тем, что концы указанного магнитострикционного резонатора и ферритового стержня расположены близко друг к другу на расстоянии, не превышающем длину резонатора.

20. Система по п.15, отличающаяся тем, что магнитострикционный резонатор представляет собой трубчатой формы стержень, выполненный из магнитострикционного феррита.

21. Система по п.15, отличающаяся тем, что указанный магнитострикционный резонатор обладает циркулярной остаточной намагниченностью и выполнен с возможностью работы в режиме крутильных колебаний.

22. Система беспроводной передачи энергии, в которой передающая и/или приемная часть представляет собой устройство для беспроводной передачи энергии, содержащее:
- по меньшей мере, два твердотельных магнитострикционных резонатора в форме стержня, имеющих одинаковые резонансные частоты и расположенных в одну линию или параллельными рядами в непосредственной близости один от другого на расстоянии, не превышающем их длину;
- по меньшей мере, одну преобразующую катушку, намотанную вокруг или расположенную вблизи одного из указанных резонаторов на расстоянии, не превышающем его длину.

23. Система по п.22, отличающаяся тем, что магнитострикционный резонатор представляет собой трубчатой формы стержень, выполненный из магнитострикционного феррита.

24. Система по п.22, отличающаяся тем, что указанный магнитострикционный резонатор обладает циркулярной остаточной намагниченностью и выполнен с возможностью работы в режиме крутильных колебаний.

25. Система беспроводной передачи энергии, в которой передающая и/или приемная часть представляет собой устройство для беспроводной передачи энергии, содержащее:
- двумерный или трехмерный массив элементов в форме стержней, расположенных параллельно друг другу, в котором каждый элемент представляет собой либо твердотельный магнитострикционный резонатор, либо стержень из мягкого магнитного материала;
- по меньшей мере, одну преобразующую катушку, намотанную вокруг или расположенную вблизи одного из элементов указанного массива на расстоянии, не превышающем длину элемента.

26. Система по п.25, отличающаяся тем, что указанные магнитострикционные резонаторы имеют одинаковые резонансные частоты.



 

Похожие патенты:

Предлагаемое устройство относится к радиоэлектронике и может быть использовано в профессиональных радиоприемных устройствах. Достигаемый технический результат - улучшение электрических параметров фильтра: увеличение коэффициента прямоугольности АЧХ и затухания в полосе задерживания, расширение функциональных возможностей путем обеспечения возможности перестройки фильтра.

Предлагаемое устройство относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной селекции сигналов в приемно-передающих профессиональных устройствах связи.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве входного устройства профессионального радиоприемника. Технический результат заключается в обеспечении электронно-перестраиваемой полосы режекции в рабочем диапазоне частот.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для повышения точности и чувствительности разных измерительных приборов и оборудования в радиолокационных станциях, системах связи и т.п.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для измерения параметров вибраций в различных отраслях машиностроения. .

Изобретение относится к радиоэлектронике. .

Изобретение относится к радиотехнике, а конкретно к электрическим фильтрам с механическими резонаторами. .

Изобретение относится к устройствам обработки радиосигналов на объемных акустических волнах и может быть использовано в широкополосных системах связи, радиолокации, системах радиопротиводействия, а также в калибраторах различного назначения, включая калибраторы дальности радиолокационных станций и высотомеров.

Изобретение относится к устройствам обработки радиосигналов на объемных и поверхностных акустических волнах и может быть использовано в широкополосных системах связи, радиолокации и в системах радиопротиводействия.

Изобретение относится к области акустоэлектроники и может быть использовано в составе регулируемых устройств, а именно регулируемой ультразвуковой линии задержки в частотном диапазоне 10-1000 МГц с применением в различных радиоэлектронных системах обработки информации. Технический результат заключается в создании регулируемого акустоэлектронного устройства, способного работать как на объемных, так и на поверхностных акустических волнах. Технический результат достигается за счет акустоэлектронного устройства, в котором используется звукопровод, состоящий из монокристалла лантан-стронциевого манганита состава La1-xSrxMnO3 (0,12≤x≤0,18) с термически регулируемыми значениями скоростей объемных или поверхностных акустических волн вблизи структурного фазового перехода; устройство содержит звукопровод с расположенными на его торцах широкополосными преобразователями объемных или поверхностных акустических волн, термоэлектрический регулятор температуры. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и акустоэлектронике и может быть использовано в устройствах измерительной техники и в радиосвязи. Достигаемый технический результат - повышение разрешающей способности частотно-избирательного устройства для обработки сигналов на ПАВ в процессе параллельной обработки сигналов различных частот. Частотно-избирательное устройство для обработки сигналов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) включает слоистый звукопровод из фононного кристалла в форме удлиненной пластины, на одной широкой грани которой размещен слой твердого вещества с акустическим импедансом, отличным от материала звукопровода, и связанные со звукопроводом по меньшей мере два электроакустических преобразователя, пластина фононного кристалла образована размещенной в матрице решеткой единичных протяженных элементов, продольная ось которых совпадает с шириной пластины, слой твердого вещества полностью покрывает поверхность пластины, причем входной электроакустический преобразователь выполнен с возможностью возбуждения ПАВ Лява в слое твердого вещества и размещен на широкой грани на одном конце пластины, слой твердого вещества в направлении длины пластины имеет участок переменной толщины, приемные электроакустические преобразователи расположены на другой широкой грани пластины. 5 з. п. ф-лы, 6 ил.

Полосовой перестраиваемый LC-фильтр относится к радиоэлектронике и может использоваться для частотной селекции сигналов в радиоприемных устройствах. Достигаемый технический результат - улучшение избирательности и расширение функциональных возможностей путем обеспечения возможности перестройки по частоте. Полосовой перестраиваемый LC-фильтр содержит полосовую цепь, которая состоит из первой катушки индуктивности, к первому выводу которой подключен первый конденсатор, второй вывод которого соединен со вторым конденсатором, ко второму выводу которого подключена вторая катушка индуктивности, второй вывод которой соединен с общей шиной, а также третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой конденсаторы. 4 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве входного устройства профессионального радиоприемника. Достигаемый технический результат - улучшение неравномерности АЧХ и увеличение коэффициента передачи в рабочей полосе частот при обеспечении необходимой режекции одной из заданных частот. Режекторный LC-фильтр содержит фильтр нижних частот, который состоит из N катушек индуктивности, соединенных друг с другом последовательно, к каждому из выводов этих катушек индуктивности подключен конденсатор, вторые выводы конденсаторов соединены с общей шиной, при этом к первому выводу первой катушки индуктивности фильтра нижних частот подключен первый контур, состоящий из параллельно соединенных катушки индуктивности и конденсатора, ко второму выводу последней катушки индуктивности фильтра нижних частот подключен второй контур, состоящий из параллельно соединенных катушки индуктивности и конденсатора, второй вывод второго контура соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам акустоэлектроники, предназначенным для формирования кодированного информационного сигнала в системах радиочастотной идентификации объектов. Технический результат - повышение достоверности приема и обработки информационного сигнала, повышение технологичности сборочных операций. Для этого многоканальная отражательная линия задержки на поверхностных акустических волнах выполнена на подложке из пьезоэлектрического материала, содержащая входной преобразователь, отражательные элементы с выходными контактами, к которым подключена внешняя нагрузка, отражательные элементы выполнены в виде встречно-штыревых преобразователей. Входной преобразователь состоит из n отдельных идентичных встречно-штыревых преобразователей, соединенных параллельно, каждый из которых образует самостоятельный акустический канал. В каждом акустическом канале с каждой стороны от встречно-штыревого преобразователя установлены отражающие элементы. Отражающие элементы в акустических каналах с каждой из сторон расположены по одной линии и на равных расстояниях от краев подложки. К выходным контактам отражательных элементов подключена регулируемая нагрузка в виде индуктивности, емкости или резистора. N отдельных идентичных встречно-штыревых преобразователей расположены вдоль линии, имеющей угол наклона α к линии расположения отражательных элементов. 1 ил.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для обработки предварительно зарегистрированных однократных или редко повторяющихся нестационарных сигналов, сопровождаемых широкополосным стационарным процессом, например вибрационным. Достигаемый технический результат - выделение нестационарных сигналов, имеющих ограниченную длительность, произвольных по форме и спектру частот. Способ фильтрации нестационарных сигналов выполняется посредством корреляционного приема предварительно записанных на носитель информации с последующим выделением полезного сигнала, а поиск полезного сигнала осуществляется одновременно с запоминанием мгновенных значений корреляционной функции и спектральной плотности сигнала, их сравнением и выявлением отличий соответствующих характеристик от признаков стационарности, при этом производят оценку амплитудно-частотного диапазона полезного сигнала. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в фильтрах гармоник усилителей мощности широкодиапазонных радиопередатчиков. Технический результат - обеспечение согласования фильтра гармоник во всем рабочем диапазоне частот радиопередатчика и повышение коэффициента передачи при одновременном снижении уровня гармонических составляющих передаваемого сигнала. Фильтр гармоник коротковолнового передатчика содержит в средней своей части N средних катушек индуктивности, где N - число частотных поддиапазонов, первый конденсатор переменной емкости, подключаемый к первому выводу каждой средней катушки индуктивности при помощи одного из N первых переключателей, и второй конденсатор переменной емкости, подключаемый к второму выводу каждой средней катушки индуктивности при помощи одного из N вторых переключателей, N входных Г-образных звеньев, каждое из которых состоит из двух катушек индуктивности, точка соединения которых соединена с первым выводом соответствующей средней катушки индуктивности, и N выходных Г-образных звеньев, каждое из которых состоит из двух катушек индуктивности, точка соединения которых соединена с вторым выводом соответствующей средней катушки индуктивности, входные переключатели и выходные переключатели. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в усилителях мощности широкодиапазонных радиопередатчиков. Технический результат - обеспечение согласования во всем рабочем диапазоне частот радиопередатчика при одновременном упрощении процессов настройки. Фильтр гармоник коротковолнового передатчика содержит N переключаемых по входу и выходу при помощи входных и выходных переключателей LC-фильтров, каждый из которых содержит первую и вторую катушки индуктивности в продольных плечах, соединенные между собой, и конденсатор, включенный между точкой соединения катушек индуктивности и общей шиной, конденсатор переменной емкости, общий для всех LC-фильтров, в каждый LC-фильтр введен понижающий автотрансформатор, вторичная обмотка которого подключена параллельно конденсатору, а первичная обмотка понижающего автотрансформатора подключена к конденсатору переменной емкости через один из N дополнительно введенных переключателей, причем конденсатор переменной емкости выполнен в виде набора конденсаторов, переключаемых при помощи устройства управления. 1 з.п. ф-лы. 1 ил.

Изобретение относится к СВЧ электроакустике и является основой для создания стабилизированных генераторов сетки частот, узкополосных фильтров, высокочувствительных сенсоров и других СВЧ частотозадающих элементов для средств связи, автоматики и радиолокации. Технический результат - обеспечение высокой стабильности частоты генерации и минимального значения фазовых шумов в широком частотном диапазоне. Многочастотный резонатор на объемных акустических волнах содержит звукопровод и источник акустических колебаний, который включает в себя пьезоэлектрик, верхний и нижний металлические электроды , при этом источник акустических колебаний размещен на одной из поверхностей звукопровода, звукопровод выполнен из ориентированного монокристалла алмаза с кристаллографическими плоскостями срезов(100), или (110), или (111), соответствующих направлениям распространения чистых продольных мод. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройствам акустоэлектроники, в частности к отражательным линиям задержки, функционирующим на поверхностных акустических волнах. Техническим результатом предлагаемой конструкции ОЛЗ является увеличение амплитуды информационного сигнала и расширение ее функциональных возможностей. Технический результат достигается тем, что ОЛЗ содержит подложку из пьезоэлектрического материала, на поверхности которой выполнен входной преобразователь, состоящий из n встречно-штыревых преобразователей (ВШП), соединенных параллельно и расположенных на общей оси, имеющей наклон под углом α к линии расположения отражательных элементов, которые установлены по обеим сторонам входного преобразователя. При этом входной преобразователь установлен таким образом, что расстояния между крайними ВШП преобразователя и отражательными элементами, определяющие минимальные (максимальные) временные задержки, имеют равные значения и, кроме того, отражательные элементы, формирующие одинаковые временные задержки импульсов информационного сигнала, выполнены сфазированными относительно друг друга. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться для беспроводной передачи энергии на средние расстояния. Достигаемый технический результат - повышение КПД в системах беспроводной передачи энергии. Предложены три варианта устройства для беспроводной передачи энергии, один из которых включает в себя: по меньшей мере, один твердотельный магнитострикционный резонатор в форме стержня; по меньшей мере, один стержень из мягкого магнитного материала, расположенный в непосредственной близости от указанного резонатора на расстоянии, не превышающем его длину; по меньшей мере, одну преобразующую катушку, намотанную вокруг или расположенную вблизи указанного резонатора или стержня из мягкого магнитного материала на расстоянии, не превышающем длину резонатора или стержня, а также два варианта способа согласования устройств для беспроводной передачи энергии и три варианта системы, основанной на применении заявленных способов и включающей в себя заявленные устройства. 8 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.

Наверх