Methode van elektromagnetische inductie bij draadloze energieoverdracht

Een methode voor het overbrengen van elektrische energie naar een afstand zonder een geleidend medium te gebruiken, wordt draadloze transmissie van elektriciteit genoemd. Tegen 2011 werden verschillende succesvolle experimenten uitgevoerd in het magnetronbereik met capaciteiten van enkele tientallen kilowatt, terwijl het rendement ongeveer 40% was.

Dit gebeurde eerst in 1975 in Californië en de tweede keer in 1997 op Reunion Island. De langste afstand was ongeveer een kilometer, een experiment werd uitgevoerd om de energiebesparende mogelijkheden van een dorp te bestuderen zonder een traditionele kabel te gebruiken.

Technologisch gezien omvatten de principes van de transmissie van elektrische energie over een afstand, afhankelijk van de transmissieafstand, het volgende. Op korte afstanden bij lage vermogens - inductie- en resonantiemethoden, zoals in RFID-tags en smartcards. Op grote afstanden en bij grote vermogens - de methode van directionele elektromagnetische straling in het bereik van UV tot magnetron.

Laten we de inductiemethode eens nader bekijken. Draadloze transmissie van energie door elektromagnetische inductie impliceert het gebruik van het nabije elektromagnetische veld op afstanden die evenredig zijn met 17% van de golflengte. Het komt erop neer dat de energie van het nabije veld op zichzelf niet uitstraalt, er zijn slechts kleine straling en weerstandsverlies.

Elektrodynamische inductie werkt zo. Wanneer een alternerende elektrische stroom door de primaire wikkeling stroomt, is er een alternerend magnetisch veld daaromheen, dat tegelijkertijd op de secundaire wikkeling inwerkt, een variabele EMF en dienovereenkomstig wisselstroom inducerend.

Om een ​​hoger rendement te verkrijgen, moet de relatieve positie van de primaire en secundaire wikkelingen dicht genoeg zijn. Als, onder experimentele omstandigheden, de secundaire winding begint weg te bewegen van de primaire, dan zal het deel van het magnetische veld dat de secundaire winding bereikt en zijn bochten kruist kleiner worden.

Wanneer de secundaire wikkeling wordt verwijderd, zelfs op een kleine afstand, zal de inductiekoppeling tussen de wikkelingen uiteindelijk zo klein worden dat het grootste deel van de door het magnetische veld doorgelaten energie uiterst inefficiënt en in het algemeen tevergeefs zal worden verbruikt.

Een soortgelijk systeem wordt gepresenteerd in zijn eenvoudigste vorm. in een klassieke elektrische transformator. Een transformator is immers het eenvoudigste apparaat voor draadloze stroomtransmissie, omdat de primaire en secundaire wikkelingen niet galvanisch met elkaar zijn verbonden. De overdracht van energie van het primaire naar het secundaire wordt hierin geïmplementeerd via een proces dat wederzijdse inductie wordt genoemd. De belangrijkste functie van de transformator is het verhogen of verlagen van de spanning die aan de primaire wikkeling wordt geleverd.

In contactloze opladers voor mobiele apparatuur, voor elektrische tandenborstels en in inductiekookplaten worden alleen methoden van elektrodynamische inductie geïmplementeerd. Het nadeel van het op deze manier overbrengen van energie is dat de effectieve actie erg klein is. Om de juiste efficiëntie te bereiken, moeten de zender en ontvanger heel, heel dicht bij elkaar worden geplaatst, bijna dicht bij het principe dat ze effectief met elkaar kunnen communiceren.

Om de efficiëntie van de inductiemethode te vergroten, is het nuttig om het fenomeen van elektrische resonantie in een dergelijk systeem te introduceren, dat de effectieve transmissieafstand zal vergroten. Met de toevoeging van een oscillerende schakeling aan de resonantiekring vergroot deze door zijn werking de effectieve transmissieafstand enigszins. Om resonantie te laten optreden, moeten de zender- en ontvangerlussen op dezelfde gemeenschappelijke frequentie worden afgestemd.

De prestaties van een dergelijk systeem kunnen verder worden verbeterd door het corrigeren van de golfvorm van de stuurstroom, door deze af te wijken van een sinusvormige naar een overgangs-niet-sinusvormige, gepulseerde.

Pulsenergie-overdracht wordt vervolgens uitgevoerd in verschillende cycli en aanzienlijk vermogen kan onder dergelijke omstandigheden worden overgedragen van het ene LC-circuit naar het andere, en met een lagere koppelingscoëfficiënt dan zonder gebruik te maken van resonantiecircuits. De vormen van de spoelen veranderen niet, en het zijn in elk geval platte spiralen of enkellaags solenoïden met daarop aangesloten condensatoren, noodzakelijk om het ontvangende element af te stemmen op de resonantiefrequentie van de zender.

Traditioneel wordt resonerende elektrodynamische inductie gebruikt in draadloze batterijladers van mobiele apparaten, zoals mobiele telefoons en medische implantaten, evenals in elektrische voertuigen. Gelokaliseerde laadapparaten maken gebruik van de selectie van een specifieke zendspoel uit een reeks meerlagige wikkelingen.

In dit geval werkt het resonantiefenomeen zowel in het circuit van het zenderpaneel van de lader als in het ontvangercircuit van de laadmodule die op het laadapparaat is geïnstalleerd, zodat de efficiëntie van transmissie en ontvangst van energie wordt gemaximaliseerd. De technologie van deze configuratie is universeel en kan worden gebruikt om draadloos verschillende gadgets met geschikte resonante ontvangers op te laden.

De techniek van dit plan is overgenomen als onderdeel van de Qi-standaard voor draadloos opladen. Deze standaard biedt twee opties voor energieoverdracht: laag vermogen - van 0 tot 5 watt en gemiddeld vermogen - tot 10 watt. De standaard is na 2008 ontwikkeld door het Wireless Power Consortium (WPC) voor de inductieoverdracht van energie tot 4 cm.

Uitrusting met Qi-ondersteuning omvat een zender met een platte spoel (deze bevindt zich achter de plaat) aangesloten op een stationaire stroombron en een compatibele ontvanger die in het laadapparaat is geïnstalleerd (ook in de vorm van een platte spoel). PBij gebruik van de lader wordt het aangesloten apparaat op de zenderplaat geplaatst. In dit geval is het principe van elektromagnetische inductie tussen deze twee platte spoelen, zoals in een transformator, van toepassing.

Qi wordt vandaag op sommige apparaten gebruikt: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, Yota Devices. Het doel van het consortium is om een ​​enkele standaard voor inductielaadtechnologie te creëren om draadloze opladers een bekend kenmerk van openbare plaatsen te maken, zoals cafés, luchthavens, sportstadions, enz.

Resonantie-elektrodynamische inductie wordt ook gebruikt om apparaten zonder batterijen direct draadloos van stroom te voorzien. Deze omvatten RFID-tags en contactloze smartcards. Een soortgelijk principe voor de overdracht van elektrische energie is geldig. in Tesla-transformator - van het primaire circuit - de spoel - naar de resonator die zich daarin bevindt. De Tesla-transformator zelf dient op zijn beurt ook als een draadloze energiezender, alleen meer elektrostatisch dan elektromagnetisch.