Rezonans endüktif kuplaj - Resonant inductive coupling
Rezonans endüktif kuplaj veya manyetik fazlı senkron birleştirme ile bir olgudur endüktif kuplaj bağlantı gevşek bağlanmış bobinin "ikincil" (taşıyıcı) yan yankı zaman daha güçlü hale gelir. Bir rezonans transformatörü Bu tür genellikle analog devre kullanılan bant geçiş filtresi . Rezonans indüktif bağlama da kullanılıyor kablosuz güç taşınabilir bilgisayarlar, telefonlar ve araçlar için sistemler. WiTricity tip manyetik rezonans birleştirme sistemleri olan çift ikincil (yük taşıma) tarafında bobinli "birincil" (güç kaynağı) tarafında rezonans bobinlerin başka bir dizi ekleyin.
içindekiler
- 1 Uygulamalar
- 2 Tarihçe
- 3 diğer teknolojilerle karşılaştırılması
- 4 Düzenlemeler ve güvenlik
- 5 Mekanizma ayrıntıları
- 6 Ayrıca bakınız
- 7 Kaynaklar
- 8 Dış bağlantılar
Uygulamalar
Kullanılan Çeşitli rezonans kavrama sistemleri veya kısa aralıkta (en fazla 2 metre) güç dizüstü bilgisayarlar, tabletler, akıllı telefonlar, kablosuz elektrik sistemleri için geliştiriliyor robot vakumlar elektrikli arabalar gibi, implante tıbbi cihazlar ve araçlar Scmaglev trenler ve otomatik güdümlü araçlar . Spesifik teknolojiler şunlardır:
Diğer uygulamalar şunları içerir:
- Veri iletim pasif olduğu gibi bu tür RFID etiketleri (a örneğin pasaport ) ve temassız akıllı kartlar .
- Rezonans transformatörü ccfl frekans güçlerin bir soğuk katot floresan lamba .
- Çift bir aşamaları süperheterodin alıcısı alıcı seçiciliği ile sağlanır, ara frekans amplifikatörler ayarlanmış transformatörler .
- Yüksek gerilim (bir milyon volt) için kaynaklar X-ışını üretimi.
Tesla bobini çok yüksek voltaj oluşturmak için kullanılan bir rezonans transformatör devresi olup, yüksek voltaj çok daha yüksek akım verebilmektedir elektrostatik makineleri gibi Van de Graaff jeneratör . Ancak, bu tip sistem çok az enerji harcamak Modern kablosuz güç sistemlerinden farklı, boş uzaya enerjisinin çoğunu yayar.
Tarihçe
1894 yılında Nikola Tesla kablosuz olarak 35 Güney Fifth Avenue laboratuvarında fosforlu ve akkor lambaların ışık için de "elektro-dinamik indüksiyon" olarak bilinen rezonans endüktif kuplaj, kullanılan ve daha sonra New York'ta 46 E. Houston Street laboratuvarında. 1897 yılında, yüksek gerilim verilen cihaz, patentli rezonans transformatörü veya " Tesla bobini ." Rezonant indüksiyon ile ikincil bobinine birincil bobinden elektrik enerjisi aktarmak, bir Tesla bobini üretebilen çok yüksek gerilimler ile yüksek frekans . "Yaklaşan ya da onu taşıma kişilere aparatın ve tehlike yok ciddi sorumluluk olmaksızın sağlanmıştır." Yüksek potansiyel elektrik akımlarının güvenli üretim ve kullanım için izin verilen geliştirilmiş tasarım
1960'ların başında rezonans endüktif kablosuz enerji transferi kalp pilleri ve yapay kalpler gibi cihazlar dahil vücuda yerleştirilebilir tıbbi cihazlar başarıyla kullanılmıştır. Erken sistemleri rezonans alıcı bobini kullanılan iken, daha sonraki sistemler de rezonans verici bobinler uyguladı. Bu tıbbi cihazlar verimli bobinlerin bazı dengesizliğini ve dinamik büküm kapasiteli iken düşük güç elektroniği kullanarak yüksek verimlilik için tasarlanmıştır. implante edilebilir uygulamalarda bobinler arasındaki ayrılma genel olarak en az 20 cm'dir. Bugün rezonans endüktif enerji transferi düzenli Piyasada bulunan birçok tıbbi implante cihazlarda elektrik gücü sağlamak için kullanılır.
deneysel güç veren elektrik otomobiller ve otobüsler için Kablosuz elektrik enerji transferi rezonans endüktif enerji transferi daha yüksek bir güç uygulaması (> 10 kW) 'dir. Yüksek güç seviyeleri hızla şarj ve yüksek enerji transferi verimliliği için gerekli olan operasyonel ekonomi için ve sistemin olumsuz çevresel etkilerini önlemek için her iki gereklidir. özel donanımlı otobüs durağında bir prototip otobüsün pili şarj ederken 1990 dolaylarında inşa deneysel bir elektrikli karayolu test pisti sadece% 60 enerji verimliliği üzerinde elde etti. taşırken otobüs daha bobin izni için bir geri çekilebilir alma bobini ile donatılmış olabilir. verici arasındaki boşluk ve almak bobinler açıldığında en az 10 cm olacak şekilde tasarlanmıştır. otobüsler ek olarak kablosuz olarak kullanılması da park lekeler ve garaj elektrik otomobil yeniden şarj edilmesi için araştırılmıştır.
Bu kablosuz rezonans indüktif cihazların bazıları düşük miliwatt'lık güç düzeyinde çalışacak ve pille bulunmaktadır. Diğerleri daha yüksek kilovat güç düzeyinde çalışacak. Mevcut implante edilebilen tıbbi ve yol elektrifikasyon cihaz tasarımları verici arasında bir çalışma mesafesi en çok 75% transfer verimliliği elde etmek ve en az 10 cm bobinleri alacak.
1993 yılında Profesör John Erkekler ve Profesör Grant Çoviç ait Auckland Üniversitesi'nde Yeni Zelanda'da, küçük hava boşlukları arasında büyük miktarlarda enerji aktarmak için sistemler geliştirmiştir. Bu hareketli vinç ve Japonya'da AGV temassız güç kaynağı olarak pratik kullanıma koyuyordum. 1998 yılında, RFID etiketleri bu şekilde güçlendirilmiş olduğu patentli bulundu.
Kasım 2006'da, Marin Soljaciç ve diğer araştırmacılar Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde de elektromanyetik teoride bilinen bu yakın alan davranışı, uygulanan, kablosuz enerji iletim kavramı kuvvetle-çift titreşim dayalı. Teorik analizde, bu göstermektedir ki, radyasyon ve emme bağlı asgari seviyede kayıp acı ve orta seviye bir ölçüde (yani birkaç kez rezonatör boyutu), orta seviye verimli bir kablosuz enerji transferi ile yakın bir alana sahip elektromanyetik rezonatörleri tasarlayarak mümkün. Nedeni, bu tür iki ise, yani rezonans devreleri aynı frekansa ayarlı bir dalga boyunun bir bölüm içinde bulunmaktadır, kendi yakın alanlar ( 'aşağıdakilerden oluşan çabuk kaybolan dalgaları vasıtasıyla çiftin) çabuk kaybolan dalga bağlantı . Salınan dalgalar enerji mümkün olan maksimum enerji transferi verimliliği de uzun olacak şekilde tasarlanmış olan tüm kayıp zaman, daha kat içindeki diğer bir nesneden çok daha kısa aktarmak ve izin verebilir indüktörler arasında gelişir. Rezonans dalgaboyu Rezonatörlerin çok daha büyük olduğu için, saha çevresinde dışı nesneleri atlatmak olabilir ve böylece bu orta sınıf enerji transferi düzeni hattını görüş gerektirmez. Manyetik alanlar canlılarla zayıf etkileşim beri birleştirmeyi gerçekleştirmek için özellikle manyetik alanda yararlanarak, bu yöntem, güvenli olabilir.
Apple Inc WiPower 2008 yılında böylece yaptıktan sonra, 2010 yılında teknoloji üzerine bir patent başvurusunda bulunmuştur.
Geçmişte, JR Tokai Scmaglev araba kullanılan bir güç kaynağı, bir gaz türbin jeneratör ile üretiyordu. (: Sürüş sırasında şarj CWD) AGV kablosuz güç şemaya benzer teknolojiye dayalı geliştirilen JR Tokai tescilli 9.8 kHz faz senkronizasyonu teknolojisi ile büyük bir boşluk boyunca 2011 yılında onlar sürüş sırasında güç başarmıştır. Pratik kullanım için tüm sorunlar silinmesinden Ve Arazi, Altyapı ve Ulaştırma Japon Bakanlığı teknolojisini değerlendirdi. Scmaglev inşaatı başlayacak ve ticari kullanım 2027 yılında başlayacaktır.
diğer teknolojilerle karşılaştırılması
Sigara rezonans birleşik indüktör gibi tipik olarak, transformatörlerin , bir ilkesine çalışma birincil bobini bir üreten bir manyetik alan ve bu alanın mümkün olduğunca doğru eğimli bir ikincil bobini ikincil geçen güç olduğu için mümkün olduğu kadar yakın olacak şekilde primer. Alan genellikle çok kısa aralığında ikincil sonuçlar ile kaplanabilir ve bu gerekliliği, bir gerektiren manyetik göbek . Daha büyük mesafeler boyunca rezonanssız indüksiyon yöntemi birincil sargının dirençli kayıplara enerji büyük bir kısmı son derece verimsiz olduğunu ve kalıntılar.
rezonans kullanarak dramatik verimliliğini iyileştirmeye yardımcı olabilir. Rezonant birleştirme kullanılırsa, ikincil bobin ayarlı bir LC devresini oluşturacak şekilde kapasitif yüklenmiştir. Birincil bobin sekonder taraf rezonans frekansında sürülen edilirse, önemli güç makul verimlilikte birkaç kez bobin çapı aralığında bobinler arasında aktarılabilir olduğu ortaya çıktı. Genellikle sistem rezonans olduğunda bağlantı katsayısını artırmak olarak tarif edilmektedir, fakat bu doğru değildir.
bobinlerin birbirine bir çapı dahilinde olan dışında konvansiyonel transformatör indüktif transferi ile karşılaştırıldığında, etkinlik sıkıca bağlanmış geleneksel transformatör daha fazla verimlilik elde edilebilir, oysa (kısa mesafeden% 80 civarında) biraz daha düşük olan (% 98-99 civarında) yüksek enerji transferi daha büyük mesafelerde gerekli olduğu ve bu nedenle de kullanılamaz.
Ancak, piller, özellikle şarj edilemeyen piller ile ilişkili maliyetleri ile karşılaştırıldığında, pillerin maliyeti yüksek yüzlerce kat bulunmaktadır. güç kaynağı yakındaki kullanılabilir durumlarda, daha ucuz bir çözüm olabilir. Piller periyodik bakım ve değiştirme ihtiyacı ise ek olarak, rezonant enerji transferi yerine kullanılabilir. Piller ayrıca bunların inşası ve büyük ölçüde önlenir ellerindeki sırasında kirliliği oluşturur.
Yönetmelikler ve güvenlik
şebeke kablolu donanım farklı olarak, doğrudan bir elektrik bağlantısına ihtiyaç vardır ve bu nedenle ekipman elektrik çarpması olasılığını en aza indirmek için mühürlenebilir.
birleştirme ağırlıklı manyetik alanlar kullanılarak elde olduğu için; teknoloji nispeten güvenli olabilir. Emniyet standartları ve ilkeleri kurallar ya da daha az sıkı yasal gereklilikleri karşılayabilecek sistem Vericiden teslim güç ve aralık bağlıdır olsun elektromanyetik alan pozlama (örneğin ICNIRP) için pek çok ülkede varız. Tavsiye edilen en yüksek B-alanı vücut parçaları sürdürebilen 200 VHF nanoteslas ve 400 MHz'in üzerinde düşük seviyelerde, frekans ile düşen frekans karmaşık bir fonksiyondur, 100 kHz altındaki microteslas onlarca Örnek izin RMS alanları için ICNIRP kurallar, bir bir çapı dalga boyu ve derin doku enerji emme ile karşılaştırılabilir mevcut döngüler, bir maksimum değere ulaşır.
Dağıtılmış sistemler hali hazırda, örneğin, manyetik alanlar üretmek indüksiyon ocakları yüksek alanları izin kHz onlarca ve temassız akıllı kart gerekli enerjiler daha düşük olduğu gibi, yüksek frekans mümkündür okuyucular.
Mekanizma ayrıntıları
genel bakış
Bu işlem, bir meydana rezonans transformatörü , yüksek oluşan bir elektrik bileşeni S ile aynı çekirdek üzerine sarılan bobin kondansatörleri bir bağlı hale getirmek için rulo üzerinden bağlı bir LC devresini .
En temel rezonans endüktif kuplaj primer tarafta bir tahrik bobini ve ikincil yan üzerinde bir rezonans devresi içerir. Bu durumda, sekonder tarafında, rezonans durumu ana yan taraftan bakıldığı zaman, bir çift iki rezonanslar gözlenmiştir. Bunlardan biri adı antirezonant frekans (paralel rezonans frekansı 1) ve diğer (seri rezonans frekansı 1' ) rezonans frekansı olarak adlandırılır. Kısa devre endüktansı ve ikincil bobinin rezonans kapasitör rezonans devresi içinde birleştirilir. Birincil bobin sekonder taraf rezonans frekansı (seri rezonans frekansı) ile tahrik edilir, birincil bobin ve ikincil bobini manyetik alanı fazlar senkronize edilir. Bunun bir sonucu olarak, yüksek gerilim nedeniyle karşılıklı akı artışı sekonderinden oluşturulur ve birincil sargının bakır kaybı azalır, ısı oluşumu azalır, ve verim nispeten artırıldı. Rezonant indükleyici olarak birleşim, bir yakın alan elektrik enerjisi kablosuz iletim bir parçası olan manyetik olarak bağlı bobinler arasında, rezonans devresi için ayarlanmış yankı tahrik frekansı ile aynı frekansta.
rezonans halinde bir bağlama katsayısı
Transformatörün birincil sargısı içinden akımı tarafından meydana getirilen manyetik fluks sadece bir kısmı ikincil bobin ve tersi kuple edilir. Çiftler olarak adlandırılan parça , karşılıklı akı ve çift olarak adlandırılır etmez parçası kaçak akı . Sistem rezonans durumda değil, bu daha az rulo sarımlarının oranı ile öngörülen sekonder varlık görünen açık devre voltajına yol açar. Bağlama derecesi, bir parametre olarak adlandırılan tarafından yakalanır bağlama katsayısı . Akuplaj katsayısı, K , her akı diğer bir bobinden bağlanmış durumunda elde edilecek oranı transformatörün açık devre gerilimi oranının oranı olarak tanımlanır. Değeri k 0 ile ± 1 yer alır. Her bobin endüktans, teorik miktarlarda iki parçaya ayrılabilir k (1: k ) . Bunlar sırasıyla, karşılıklı akı ve kaçak fluks üreten bir endüktans üreten bir endüktans vardır.
katsayısı Kavrama sistemi geometrisinin bir fonksiyonudur. İki bobinler arasındaki konumsal ilişki ile sabittir. Akuplaj katsayısı sistem rezonans durumundayken ve rezonans halinde olmadığı zaman, ya da, sistem rezonans durumu ve oranı oluşturulur döner daha büyük ikinci bir gerilim olduğunda arasında değişmez.
Rezonans sistemleri sıkıca bağlanmış gevşek kritik bağlanmış veya overcoupled, bağlanmış oldukları söylenir. Akuplaj katsayısı geleneksel demir çekirdekli transformatörler gibi yaklaşık 1 olduğu zaman sıkı kavrama olup. İkincil bobini çok yakın ve karşılıklı akı oluşumu antirezonanslı etkisi ile engellenir ve geçiş-bandının transfer uygun olduğunda, kritik birleştirme olduğunda overcouplinng olup. bobinler birbirlerinden uzak olduğu zaman gevşek birleştirme akı en ikincil misses olmasıdır. Tesla bataryalarında yaklaşık 0.2 kullanılır ve büyük uzaklıklarda, endüktif telsiz güç iletimi için, örneğin, bu 0.01 'den daha düşük olabilir.
Gerilim kazancı (Tip PP)
Genellikle olmayan rezonant bağlanmış bobinler Gerilim kazancı ikincil ve birincil endüktanslann oranının kare köküne orantılıdır.
Bununla birlikte, rezonans bağlantı durumunda eğer, daha yüksek bir voltaj oluşturulur. Kısa devre endüktans L SC2 sekonder tarafta şu formülle elde edilebilir.
Kısa devre endüktans L SC2 ve ikincil yan tınlama ilgili rezonans kondansatörü Cr. Rezonans frekansı ω 2 aşağıdaki gibidir.
yük direnci R olduğu varsayılarak, ikinci rezonans devresinin Q değeri aşağıdaki gibidir.
rezonans frekansı zirvesinde rezonans kondansatörü Cr üretilen gerilim Q değeri ile orantılıdır. Bu nedenle, birincil bobine göre ikincil bobininin Ar, voltaj kazancı sistemi rezonans zaman,
Tip PP durumunda, Q1 voltaj kazancı katkıda bulunmaz.
WiTricity tip rezonans endüktif kuplaj sistemi
WiTricity tip manyetik rezonans sekonder tarafta primer tarafta rezonans bobinler ve rezonans bobinler eşleştirilmiş olması ile karakterize edilir. Birincil rezonatör birincil tahrik sargısı akımının arttırır ve birincil rezonatör çevresinde yayılan manyetik akımı arttırır. Bu yüksek gerilim birincil bobini tahrik eşdeğerdir. Sol Şekil ilgili bir tür durumda, genel ilke enerji salınan miktar verilirse (örneğin, bir darbe veya bir pals serisi), bobin olacak 'halkası kapasitif yüklü olan bir birincil bobin yerleştirilir olmasıdır ' ve bir dalgalı manyetik alan oluşturur.
Rezonans transferi bobin yaparak çalışır halka salınan bir akımla. Bu, salınım üreten bir manyetik alan . Bobin yüksek rezonans olduğu için, bobinin içine yerleştirilmiş herhangi bir enerji pek çok döngü boyunca nispeten yavaş yavaş kaybeder; İkinci bobin yanına getirilirse kaybolması önce ama, bobin bazı mesafe uzaklıktadır olsa bile, enerjinin çoğu alabilirsiniz. Kullanılan alanlar radyatif olmayan, ağırlıklı olarak yakın alanlar (bazen kaybolan dalga tüm donanım sonra sonsuza vericiden çok az enerji yayar 1/4 dalga uzunluğu mesafesinde de tutulur gibi).
Enerji rezonans frekansında kapasitör üzerinde ileri ve geri indüktör manyetik alan ve elektrik alanı arasındaki transfer olacaktır. Bu osilasyon kazanç bant genişliği ile (belirlenen bir hızda uzak ölecek S faktörü dirençli ve ışınım kayıplar esas olarak). Ancak, daha sonra enerjinin çoğu hala transfer edilebilir birincil her döngüde, kaybolur daha fazla enerji absorbe alanın yeterince ikincil bobin kesim sağladı.
Çünkü S faktörü çok yüksek olabilir (deneysel olarak bin tane hava ile gösterilmiştir özlü alan bobinleri) sadece küçük bir yüzdesi alanında hızlı bir şekilde kalıplar da, yüksek verim elde etmek için, diğer bir bobinden bağlanmış olması gerekir bir bobin mesafe ile, birinci ve ikinci ayrı çeşitli çaplara olabilir.
Verimlilik için liyakat bir figür olduğunu gösterilebilir:
Burada Q, 1 ve Q, 2 , sırasıyla, kaynak ve alıcı sargılar Q faktörleridir ve k yukarıda tarif edilen birleştirme katsayısıdır.
Ve Elde edilebilecek maksimum etkinlik geçerli:
Güç transferi
Çünkü S düşük bir güç verici bobin beslenir bile, çok yüksek olabilir, nispeten yoğun bir alanının, alınan-de olabilir rezonans daha fazla güç gücünü artırır daha salınım alanında olan, çok sayıda devir boyunca kurar bobin halinde beslenir ve alıcı bobin bunun bir yüzdesini alır edilir.
Verici bobinleri ve devre
Olmayan bir rezonans transformatörünün sekonder çoklu-tabaka farklı olarak, bu amaç için bobinleri çoğu zaman, tek katmanlı olan solenoid (en aza indirmek için cildin etkisi ve geliştirilmiş elde Q ), uygun bir paralel kondansatör ya da dalga-yara gibi başka şekillerde de olabilir litz teli. Yalıtım ara parçalar, ya da düşük, hiç olmaz dielektrik gibi düşük kayıp malzeme ipek dielektrik kayıpları en aza indirmek için.
Aşamalı olarak her bir döngü ile birincil bobine enerji / güç beslemek için, farklı devreler kullanılabilir. Bir devre kullanır Colpitts osilatör .
Tesla kesintili anahtarlama sistemi, bir "devre kontrolörü" veya bobinler olarak "ara", birincil bobin içine bir itici sinyali enjekte etmek için kullanılır; İkincil bobin sonra çalıyor ve bozunur.
Alıcı bobinleri ve devre
İkincil alıcı bobinleri birincil gönderme bobinleri benzer tasarımları. Birincil olarak aynı rezonans frekansında ikinci çalışan ikincil düşük sahip olmasını sağlar empedansı vericinin frekans ve enerji en iyi şekilde absorbe edilir.
İkincil bobini enerji temin etmek için, farklı yöntemler kullanılabilir, ac direkt olarak kullanılabilir veya doğrultulmuş ve bir düzenleyici devre DC voltajı üretmek için kullanılabilir.
Ayrıca bakınız
- Çabuk kaybolan dalga bağlantı esas olarak optik frekanslarda aynı işlem
- İndüktans
- Wardenclyffe kule
- Kısa devre endüktans
Referanslar
- NYC Rögar sakla rezonans şarj kapakları
- IEEE Spectrum: Kablosuz güç eleştirel bir bakış
- Intel: Son Kordon Kesme, Kablosuz Güç
- Yahoo News: Intel kablosuz güç sistemi ile elektrik kablolarını kesen
- BBC News: spagetti güç kablolarına bir son
- Instructables: Kablosuz güç
- "MIT üzerinde Marin Soljaciç (araştırmacı ekip lideri) ana sayfası" .
- Jonathan Fildes (2007-06-07). "Kablosuz enerji vaadi güçler kadar" . BBC News.
- JR Minkel (2007-06-07). "Uzakta Yedi Feet'ten Kablosuz Enerji Işıklar Ampul" . Scientific American .
- Katherine Noyes (2007-06-08). "Air Yoluyla MİT Wizards Zap Elektrik" . TechNewsWorld.
- Chris Peredun, Kristopher Kubicki (2007-06-11). "MİT Mühendisleri Kablosuz Güç Sistemi AçıkladıATİNA" . DailyTech. Arşivlenmiş orijinal 2013-01-12 tarihinde.
- "Kesinlikle birleştiğinde Manyetik Rezonansları aracılığıyla Kablosuz Güç Transferi Çevrimiçi Destekleyen" . Bilim Dergisi.
- Gary Peterson (2008-08-06). "WiTricity Anticipating" . 21. Yüzyıl kitaplar.
- IEEE MTT-S web sitesinde William C. Brown biyografisi
- Anuradha Menon (2008-11-14). "Intel'in Kablosuz Güç Teknolojisi kanıtlanmış" . Şeyler Geleceği E-dergisi. Arşivlenmiş orijinal 2010-12-09 tarihinde.
- Rezence - Kablosuz Güç için Alliance tarafından teşvik kablosuz güç standardının resmi sitesi
- Qi - Kablosuz Güç Konsorsiyumu tarafından teşvik kablosuz güç standardının resmi sitesi
- PMA - Güç tarafından teşvik kablosuz güç standardının resmi sitesi Alliance Önemlidir