Metodo di induzione elettromagnetica nel trasferimento di energia wireless

Un metodo per trasmettere energia elettrica a distanza senza utilizzare un mezzo conduttivo è chiamato trasmissione wireless di elettricità. Nel 2011 sono stati condotti numerosi esperimenti di successo nella gamma delle microonde con capacità di diverse decine di kilowatt, mentre l'efficienza era di circa il 40%.

Ciò è accaduto prima nel 1975 in California e la seconda volta nel 1997 a Reunion Island. La distanza più lunga è stata di circa un chilometro, è stato condotto un esperimento per studiare le possibilità di risparmio energetico di un villaggio senza utilizzare un cavo tradizionale.

Tecnologicamente, i principi della trasmissione di energia elettrica a distanza comprendono, a seconda della distanza di trasmissione, i seguenti. A brevi distanze a basse potenze - metodi di induzione e risonanza, come nei tag RFID e smart card. A grandi distanze e ad alte potenze - il metodo di radiazione elettromagnetica direzionale nell'intervallo da UV a microonde.

Diamo un'occhiata al metodo di induzione in dettaglio. La trasmissione wireless di energia attraverso l'induzione elettromagnetica implica l'uso del campo elettromagnetico vicino a distanze commisurate al 17% della lunghezza d'onda. La linea di fondo è che l'energia del campo vicino non si irradia in sé, ci sono solo piccole radiazioni e perdite resistive.

L'induzione elettrodinamica funziona così. Quando una corrente elettrica alternata passa attraverso l'avvolgimento primario, attorno ad esso c'è un campo magnetico alternato, che agisce contemporaneamente sull'avvolgimento secondario, inducendo un EMF variabile e, di conseguenza, corrente alternata.

Per ottenere una maggiore efficienza, la posizione relativa degli avvolgimenti primario e secondario deve essere abbastanza vicina. Se, in condizioni sperimentali, l'avvolgimento secondario inizia ad allontanarsi dal primario, allora la parte del campo magnetico che raggiunge l'avvolgimento secondario e attraversando le sue curve diventerà più piccola.

Man mano che l'avvolgimento secondario viene rimosso, anche a una piccola distanza, l'accoppiamento a induzione tra gli avvolgimenti diventerà così piccolo che la maggior parte dell'energia trasmessa dal campo magnetico verrà consumata in modo estremamente inefficiente e generalmente invano.

Un sistema simile è presentato nella sua forma più semplice. in un classico trasformatore elettrico. Dopotutto, un trasformatore è il dispositivo più semplice per la trasmissione di energia wireless, poiché i suoi avvolgimenti primario e secondario non sono collegati galvanicamente tra loro. Il trasferimento di energia dal primario al secondario è implementato in esso attraverso un processo chiamato induzione reciproca. La funzione principale del trasformatore è quella di aumentare o diminuire la tensione fornita all'avvolgimento primario.

Nei caricabatterie senza contatto per apparecchiature mobili, per spazzolini da denti elettrici e nei piani cottura a induzione, sono implementati solo metodi di induzione elettrodinamica. Lo svantaggio nel trasferire energia in questo modo è che l'azione efficace è molto piccola. Per ottenere la corretta efficienza, il trasmettitore e il ricevitore devono essere posizionati molto, molto vicini tra loro, quasi vicini al principio che possono effettivamente interagire tra loro.

Per aumentare l'efficienza del metodo di induzione, è utile introdurre il fenomeno della risonanza elettrica in un tale sistema, che aumenterà la distanza di trasmissione effettiva. Con l'aggiunta di un circuito oscillatorio al circuito risonante, con la sua azione aumenta in una certa misura la distanza di trasmissione effettiva. Affinché si verifichi la risonanza, i circuiti del trasmettitore e del ricevitore devono essere sintonizzati sulla stessa frequenza comune.

Le prestazioni di un tale sistema possono essere ulteriormente migliorate correggendo la forma d'onda della corrente di controllo, deviandola da una sinusoidale a una transitoria non sinusoidale, pulsata.

Il trasferimento di energia dell'impulso viene quindi effettuato in diversi cicli e una potenza significativa può essere trasferita in tali condizioni da un circuito LC a un altro e con un coefficiente di accoppiamento inferiore rispetto a quello senza l'uso di circuiti risonanti. Le forme delle bobine non cambiano, e in ogni caso sono spirali piatte o solenoidi a strato singolo con condensatori collegati ad esse, necessari per sintonizzare l'elemento ricevente sulla frequenza di risonanza del trasmettitore.

Tradizionalmente, l'induzione elettrodinamica risonante viene utilizzata nei caricabatterie wireless di dispositivi mobili, come telefoni cellulari e impianti medici, nonché nei veicoli elettrici. I dispositivi di ricarica localizzati utilizzano la selezione di una specifica bobina del trasmettitore da una serie di avvolgimenti multistrato.

In questo caso, il fenomeno della risonanza funziona sia nel circuito del pannello del trasmettitore del caricatore che nel circuito del ricevitore del modulo di carica installato sul dispositivo di carica, in modo da massimizzare l'efficienza della trasmissione e della ricezione di energia. La tecnologia di questa configurazione è universale e può essere utilizzata per caricare in modalità wireless vari gadget dotati di ricevitori risonanti appropriati.

La tecnica di questo piano è adottata come parte dello standard di ricarica wireless Qi. Questo standard offre due opzioni per il trasferimento di energia: bassa potenza - da 0 a 5 watt e media potenza - fino a 10 watt. Lo standard è stato sviluppato dopo il 2008 dal Wireless Power Consortium (WPC) per il trasferimento di induzione di energia fino a 4 cm.

Le apparecchiature con supporto Qi includono un trasmettitore con una bobina piatta (che si trova dietro la piastra), collegato a una fonte di alimentazione fissa e un ricevitore compatibile installato all'interno del dispositivo di ricarica (anche sotto forma di una bobina piatta). PQuando si utilizza il caricabatterie, il dispositivo collegato viene posizionato sulla piastra del trasmettitore. In questo caso, si applica il principio dell'induzione elettromagnetica tra queste due bobine piatte, come in un trasformatore.

Il Qi viene utilizzato oggi su alcuni dispositivi: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, Yota Devices. L'obiettivo del consorzio è quello di creare un unico standard per la tecnologia di ricarica a induzione per rendere i caricabatterie wireless un attributo familiare di luoghi pubblici, come caffè, aeroporti, impianti sportivi, ecc.

L'induzione elettrodinamica a risonanza viene anche utilizzata per alimentare in modalità wireless dispositivi senza batterie all'interno. Questi includono tag RFID e smart card senza contatto. Si applica un principio simile per il trasferimento di energia elettrica. nel trasformatore Tesla - dal circuito primario - l'induttore - al risonatore situato al suo interno. Lo stesso trasformatore Tesla, a sua volta, funge anche da trasmettitore di energia wireless, solo più elettrostatico che elettromagnetico.