Устройства для передачи энергии: Как осуществляется передача электрической энергии?

Содержание

Урок 12. преобразование и передача электроэнергии – Естествознание – 11 класс

Естествознание, 11 класс

Урок 12. Преобразование и передача электроэнергии

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Какие способы передачи энергии на расстояние существуют?
Чем обусловлены потери энергии при передаче?
Чем выгоден каждый способ передачи электроэнергии?
Как уменьшить потери при передаче электроэнергии?

Глоссарий по теме:

Электромагни́тная инду́кция — явление возникновения электрического тока, электрического поля или электрической поляризации при изменении во времени магнитного поля или при движении материальной среды в магнитном поле.

Правило Ленца: индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей.

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея).

Какова бы ни была причина изменения магнитного потока, охватываемого замкнутым проводящим контуром, возникающая в контуре Э.Д.С. индукции определяется формулой:

Первичной обмоткой называется та, на которую подается исходное напряжение от какого-либо источника переменного тока. Вторичная обмотка – обмотка, которая служит источником питания для потребителя. Обычно первичную обмотку обозначают индексом 1, а вторичную – индексом 2.

Трансформатор (от лат.transformare — «превращать, преобразовывать») — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Обязательная литература:

Александров, А. П. Атомная энергетика и научно-технический прогресс / А.
П. Александров. – М.: Наука, 2015. – 272 c.
Арутюнян, А. А. Основы энергосбережения / А.А. Арутюнян. – М.: Энергосервис, 2016. – 600 c.
Демидов, В. И. Тепла Вам и света / В.И. Демидов. – М.: Лицей, 2009. – 254 c.

Дополнительные источники:

https://moiinstrumenty.ru/elektro/obmotka-transformatora.html
Якобсон, И.А. Испытания переключающих устройств силовых трансформаторов / И.А. Якобсон. – М.: Наука, 2006. – 56 c

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В современном мире трудно представить себе даже несколько минут без электричества. Многие жизненно важные приборы, а также бытовая техника потребляют электроэнергию. Проблема передачи электроэнергии на различные расстояния: от маленьких деревень до многомиллионных городов до сих пор остается актуальной. Как это осуществить с минимальными потерями и наиболее эффективно?

Развитие цивилизации и научно-технический прогресс, связанный с использованием двигателей, потребовал решения не только задач производства энергии, но также задачи передачи энергии на расстояние. С давних пор известно два способа передачи топлива для двигателей: транспортный и более экономичный – трубопроводный, применяемые до сих пор. Но самый эффективный способ – по проводам. Французский физик М. Депре построил первую линию электропередачи в 1880 г. Однако, и этот способ не позволяет избежать потерь, связанных с нагревом подводящих проводов.

При простейшем способе передачи, когда источник электроэнергии (электрогенератор) связан проводами с потребителем, процесс передачи можно изобразить схемой, приведенной на Рис. 1

Рис.1

Обозначая полезную потребляемую мощность (мощность на нагрузке) через Wн, а паразитную мощность, идущую на нагревание проводов через Wп, получим для них выражения:

W_н = I²R_н

W_п = I²R_п

Из этих формул видно, что отношение мощностей равно отношению сопротивлений.

Чтобы уменьшить потери сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно меньше. Провода делают из хорошо проводящего материала – в основном из алюминия или меди и достаточно толстыми.

Уменьшить потери энергии в проводах по сравнению с энергией, которую нужно передать, можно, если уменьшить ток, текущий в проводах, по сравнению с током, который течет в приборах потребителя. Сделать это позволяет трансформатор, принцип действия которого основан на взаимопреобразовании электрического и магнитного полей. Трансформатор, история применения которого насчитывает почти полтора века, все это время служит человечеству верой и правдой. Его назначение — преобразование напряжения переменного тока. Это одно из немногих устройств, КПД которого может достигать почти 100%.

Самый простой трансформатор — это сердечник из ферромагнитного материала с большой магнитной проницаемостью (например, из электротехнической стали) и две намотанных на него обмотки (рис. 2). При пропускании через первичную обмотку переменного тока силой I₁ в сердечнике возникает меняющийся магнитный поток Ф, которым пронизывается как первичная, так и вторичная обмотка.

В каждом из витков этих обмоток находится одинаковая по численному значению ЭДС индукции. Таким образом, отношения ЭДС в обмотках и витков в них одинаковы. На холостом ходу (I₂ = 0) напряжения на обмотках практически равны ЭДС индукции в них, следовательно, для напряжений также выполняется соотношение:

U₁/ U₂ ≈ N₁/ N_2,где

N₁и N₂ — число витков в обмотках.

Отношение U₁/ U₂ называют еще коэффициентом трансформации (k). Если U

1 < U₂, трансформатор называют повышающим, при U₁> U₂ — понижающим (рис 2). У первого трансформатора коэффициент трансформации больше, а у второго — меньше единицы. Поскольку КПД трансформатора близок к 100%, мощность в цепи первичной обмотки приблизительно равна мощности в цепи вторичной обмотки:

U₁I₁=U₂I₂

Следовательно, ток во вторичной обмотке меньше, чем ток в цепи потребителя. Так как потери на нагрев проводов в линии электропередачи пропорциональны , уменьшение тока в проводах линии электропередачи позволяет уменьшить потери энергии.

Один и тот же трансформатор, в зависимости от того к которой обмотке прикладывается, а с какой снимается напряжение, может быть как повышающим, так и понижающим.

Рис 2. Повышающий трансформатор (k < 1)

Рис 3. Понижающий трансформатор (k > 1)

При U₂>>U₁, U₂>>U₃ и, соответственно, I₂<<I₁, I₂<<I₃ потери электроэнергии на нагрев проводов значительно уменьшаются.

Но и трансформаторы не идеальные устройства. Реальные трансформаторы, работающие в системе передачи электроэнергии достаточно сложны и внутри их помимо полезного, возникают и вредные токи, снижающие эффективность передачи.

Поэтому не прекращаются поиски усовершенствования выработки и передачи электроэнергии.

Рис.4 Устройство трансформатора

Рис.5. Сверхпроводники

Выводы:

Передача энергии на расстояние в виде электроэнергии является в настоящее время наиболее удобным и дешевым способом передачи энергии.
Использование трансформаторов и увеличение напряжения в проводах линий электропередачи, позволяет существенно снизить потери энергии при передаче электроэнергии.

Ученые постоянно работают над проблемой сбережения энергии при ее передаче, например, использование сверхпроводников. Но многие проекты находятся еще на стадии разработки.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1: Подчеркните правильные ответы: «Чтобы уменьшить потери сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно __________. Провода делают из хорошо проводящего материала – в основном из ________ или ее сплавов и достаточно_________».

Варианты ответов: больше, меньше, стали, меди, толстыми, тонкими.

Правильный вариант: Чтобы уменьшить потери сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно меньше. Провода делают из хорошо проводящего материала – в основном из меди или ее сплавов и достаточно толстыми.

Задание 2:

Решите кроссворд.

По горизонтали
2. статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты, называют….

3. обмотка, на которую подается исходное напряжение от какого-либо источника переменного тока.

По вертикали
1.обмотка, которая служит источником питания для потребителя.

Правильный вариант:

Беспроводная передача энергии большой мощности для устройств, работающих в условиях индустриальной среды

Поскольку энергия питания передается одновременно с функционированием приложений в режиме передачи данных по беспроводной сети, то соблюдение допустимых уровней ЭМП требует внимательности и ответственного отношения. Проблема в том, что катушки передатчика и приемника ведут себя как трансформатор с малым коэффициентом связи и очень большим воздушным зазором. Это приводит к достаточно большому уровню электромагнитного поля вблизи катушек. Измерения в части выполнения требований по ЭМС показали, что широкополосные помехи могут возникать в спектре основной волны вплоть до частот порядка 80 МГц. Если уровень помех измеряется ниже установленного предела с хорошим запасом, то можно предположить, что требования по напряженности поля радиопомех также будут соблюдаться. В общем, при разработке устройств беспроводной передачи мощности выполнение требований стандарта EN55022 для Класса B может представлять собой проблему, сложность решения которой нельзя недооценивать.

Пример результата измерения уровня кондуктивных ЭМП приведен на рис. 1.

Рис. 1. Пример результата измерения спектра кондуктивных электромагнитных помех в диапазоне частот 9 кГц – 30 МГц, предел по Классу B

Магнитное поле H (dI/dt) может создать индуктивную связь и, следовательно, навести ток помехи на соседние проводящие дорожки. Обычно для борьбы с этим явлением полезно максимально разнести такие цепи или использовать ферритовые гибкие материалы, например WE-FSFS [4], подробно об этом материале и вопросах применения магнитного экранирования, в том числе и для беспроводных зарядных устройств, написано в [5].

В отличие от магнитного электрическое поле E (dV/dt) имеет емкостную связь с «землей». Это можно наблюдать при измерении напряжения помех или напряженности поля. Вот почему такие источники синфазных помех необходимо подавлять как в низко-частотном (килогерцевом), так в более высокочастотном (мегагерцевом) диапазоне.

Поскольку в рассматриваемых приложениях беспроводной передачи энергии именно электрическое поле E (а точнее, поле рассеяния) является основной причиной проблем ЭМС, то рекомендуется принять следующие меры:

Для уменьшения вихревых токов под катушкой, особенно если это передатчик, должна быть установлена и ориентирована по направлению к ней перфорированная металлическая пластина. Это может быть, например, медная фольга на печатной плате, подключенная через конденсатор (например, типа WE-CSMH емкостью 1–100 нФ, рассчитанный на рабочее напряжение 2000 В) к заземлению или корпусу схемы. Он накоротко замкнет большую часть электрического поля на источник, и оно уже не будет распространяться через «землю» (общий провод).
Защитить катушки передатчика и приемника и их цепи возбуждения и приема энергии хорошо экранирующим металлическим и/или поглощающим материалом WE-FAS, WE-FSFS [5].
Если это допускают уровни токов утечки (они нормируются стандартами по электробезопасности, в частности в медицинском оборудовании [2]), то снизить уровни помех в широком частотном спектре помогут Y‑конденсаторы максимальной емкостью 2×4,7 нФ, например серии WE-CSSA.
Для фильтрации источников синфазных помех в низкочастотном диапазоне 0,05–5 МГц, в зависимости от рабочего напряжения и тока, могут использоваться синфазные дроссели с компенсацией постоянного тока из следующих серий: WE-CMB, WE-CMBNC, WE-UCF, WE-SL или WE-FC.
Для фильтрации синфазных помех в более высокочастотном диапазоне 5–100 МГц, в зависимости от рабочего напряжения и тока, могут применяться синфазные дроссели с компенсацией постоянного тока из следующих серий: WE-CMB NiZn, WE-CMBNC, WE-SL5HC или WE-SCC.
Подавить дифференциальные ЭМП в зависимости от рабочего напряжения помогут Х‑конденсаторы из следующих серий, которые должны быть подключены между обеими линейными шинами и нейтралью: WE-FTXX или WE-CSGP.
Поскольку во всей цепи, в зависимости от приложения, протекает очень большой переменный ток, то для соответствия устройства требованиям по ЭМС важно иметь компактную печатную плату с малой собственной индуктивностью проводников. Компоненты силовой цепи и колебательного контура должны быть расположены максимально близко друг к другу и подключаться проводниками с малой собственной индуктивностью. Для этого необходимо оптимально использовать «заливку» свободных областей с применением обычных полигонов.
Рис. 2. Предлагаемое общее решение по снижению уровня синфазных и дифференциальных помех

Пример решения по выполнению требований ЭМС с использованием Х‑ и Y‑конденса-торов приведен на рис. 2, а пример конструктивного решения, когда ввиду специфики устройства нельзя использовать Y‑конденса-тор с подключением на «землю», скажем, в медицинских устройствах, носимой аппаратуре и в оборудовании для работы в потенциально взрывоопасной среде, показан на рис. 3.

Рис. 3. Пример решения, когда из-за ограничения по току утечки или ввиду специфики устройства нельзя использовать Y конденсатор

Как правило, во время проведения ОКР необходимо измерять уровни ЭМП на всех этапах проектирования, начиная с прототипа. Для этого рекомендуется заключить договор и поручить выполнять измерения компетентной лаборатории, профессионально занимающейся вопросами ЭМС. Внесение изменений в массовом производстве всегда связано с более высокими материальными затратами [3].

Кроме того, следует учитывать, что требования национальных стандартов могут отличаться, поэтому если конечный продукт будет продаваться в разных странах, то для ускорения процесса разработки и вывода изделия на рынок необходимо заранее учитывать регламенты стандартов и допустимые полосы частот для каждой страны.

Передающие и приемные катушки: особенности выбора

Для того чтобы найти подходящую беспроводную катушку для системы беспроводной передачи энергии, необходимо обратить внимание на следующие вопросы:

Насколько высок ожидаемый максимальный ток в катушке (реактивный и номинальный ток)?
Каковы максимально допустимые размеры корпуса устройства (длина, высота и ширина)?

Во избежание нежелательного насыщения или перегрева у катушек всегда должен быть запланирован некий запас, обычно на уровне 30% от расчетного номинального рабочего тока. Если можно использовать несколько вариантов катушек, предпочтение следует отдавать тем катушкам, которые имеют наивысшую индуктивность, поскольку в этом случае конденсатор колебательного контура может быть меньше. Кроме того, такой подход сокращает уровень реактивных токов, возникающих в колебательном контуре. Меньшие токи в контуре приводят к снижению самонагрева и улучшению свойств в части ЭМС.

Максимальный ток в колебательном контуре равен: I_max = πU_in√C/L, где U_in — напряжение на контуре.

Лучший коэффициент связи достигается тогда, когда катушки передатчика и приемника имеют одинаковые геометрические размеры, поэтому здесь рекомендуются катушки с соотношением размеров 1:1. Компоненты семейства WE-WPCC, например 760308102142 (53×53 мм), 760308100143 (∅50 мм), 760308100110 (∅50 мм), были специально разработаны для устройств высокой мощности. Эти катушки могут использоваться в качестве передатчиков и приемников. Они характеризуются весьма низкими значениями сопротивления по постоянному току R_dc, очень высокими значениями добротности Q и очень высокими токами насыщения I_R.

Конденсатор колебательного контура: особенности выбора

Поскольку в параллельном колебательном контуре, как известно из теории, циркулируют большие токи, то при выборе типа используемых в нем конденсаторов подходит далеко не любая технология. В зависимости от приложения пригодны только три типа конденсаторов: MKP (например, WEFTXX и WE-FTBP), с диэлектриком NP0 (в частности, WE-CSGP) или FKP. В связи с их низким уровнем собственных потерь данные типы конденсаторов способны выдерживать высокие переменные токи без перегрева. Однако в зависимости от мощности резонансного преобразователя, для того чтобы уменьшить нагрев, применяют разделение токов, которое достигается параллельным включением нескольких конденсаторов. Здесь следует тщательно следить за тем, чтобы ни один из конденсаторов не нагревался до температуры, превышающей 85 °C. Именно по этой причине конденсаторы с более высокими потерями (особенно следует оценивать уровень диэлектрических потерь) X7R, X5R, MKS и т. д. не подходят для колебательных контуров в резонансных преобразователях. Принимая во внимание размер корпуса, общие затраты и минимально возможный реактивный ток в резонансном контуре, необходимо выбрать максимально низкую емкость конденсатора. Предельными факторами здесь являются максимальная рабочая частота преобразователя, индуктивность катушки передатчика и приемника. Номинальное рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее πV_in плюс дополнительный запас в 20%. Также следует учитывать, что максимально допустимое среднеквадратичное напряжение переменного тока V AC_rms для конденсаторов типа MKP заметно падает на частотах выше 5 кГц.

Коэффициент потерь конденсатора в процентах определяется как:
DF = 2πf×ESR_cap×C×100%.

Индуктивности фильтра: особенности выбора

Колебательный контур с его переменным током отделяют от источника питания две катушки индуктивности (дроссели). Через них подается напряжение от источника питания постоянного тока, при этом они играют роль фильтрующих элементов. Дроссели следует выбирать исходя из максимально возможного номинального тока конкретной схемы. Здесь должен использоваться классический силовой дроссель (например, WE-HCI, WE-PD, WE-LHMI) с воздушным зазором и высокой добротностью. Его номинальная индуктивность должна быть как минимум в 5 раз выше индуктивности катушки колебательного контура. Это требуется для того, чтобы поставить в колебательный контур достаточную энергию. Если пульсация входного (для передатчика) или выходного (для приемника) напряжения все еще слишком высока, то номинальные значения индуктивности дросселя или емкость конденсатора фильтра могут быть увеличены. В качестве альтернативы, для достижения низких уровней пульсаций, можно уменьшить ESR фильтрующих компонентов. Кроме того, более эффективными здесь будут SMD-дроссели (WE-HCF или WE-HCI), преимущество которых заключается в том, что они имеют меньшие потери на больших токах (как постоянных, так и переменных). Поскольку эти дроссели должны постоянно подавать большой переменный ток в колебательный контур, их нагрев происходит из-за наличия гистерезиса и потерь из-за вихревых токов в материале сердечника. Требуемое значение индуктивности дросселя напрямую связано с емкостью фильтрующего конденсатора.

Добротность дросселя Q определяется как: Q_L = X_L/R_dk.

К вопросу выбора МОП-транзисторов

Выбор подходящего N‑канального МОП-транзистора в основном зависит от уровня напряжения питания. Если это лишь 5 В, то для надежного управления может, например, использоваться транзистор с логическими уровнями управления по затвору. Поскольку большинство мощных МОП-транзисторов имеют максимально допустимое напряжение затвор/исток ±20 В, то при использовании напряжения питания выше 20 В необходимо принять меры для защиты затвора. Это может быть, скажем, стабилитрон, включенный с затвора на общий провод, или емкостный делитель напряжения, который удержит напряжение затвора в оптимальном диапазоне. Следует также обратить внимание на то, чтобы напряжение на затворе не было слишком низким, поскольку в таком случае МОП-транзистор резонансного преобразователя может оказаться в режиме линейного усилителя, в результате чего схема перестанет функционировать.

Такой режим, когда транзистор окажется в активной области своей вольт-амперной характеристики, как правило, приводит к перегреву одного из двух МОП-транзисторов. Кроме того, необходимо соблюдать осторожность, чтобы предотвратить превышение напряжения с учетом увеличения напряжения на множитель π. Так, при напряжении питания 20 В МОП-транзисторы должны выдерживать напряжение исток/сток не менее 63 В. В этом случае следует использовать 100‑В транзисторы. Эффективность (КПД) схемы в значительной степени зависит от того, насколько высоки сопротивление канала транзисторов в открытом состоянии R_ds_,_on и требования по заряду затвора (имеется в виду общий заряд затвора) выбранных МОП-транзисторов. Здесь нужно найти компромисс, поскольку МОП-транзисторы с низким R_ds_,_on обычно имеют более высокую емкость затвора и, следовательно, требуется высокий общий заряд затвора.

Ток заряда/разряда по затвору МОП-тран-зистора: I_gate = C_gate×(∆V_gate/∆t_sw), где C_gate — емкость затвора транзистора; ∆V_gate — управляющее напряжение на затворе; ∆t_sw — длительность импульса.

При этом коммутационные потери равны: P_V = I²d×R_ds_,_on, где I_d — ток стока.

Диоды и схема подтяжки

Поскольку МОП-транзисторы необходимо переключать относительно быстро, то в результате появляются связанные с быстрым переключением токи на уровне ампер как следствие заряда и разряда емкости затвора. Такие зарядно-разрядные токи должны поступать через резисторы подтяжки и диоды. Возникающие при этом потери не столь уж малы. Вот почему необходимо принять меры по оптимизации максимально допустимых потерь мощности (P_V), при этом учитывать и токовую нагрузку компонентов в цепи управления затвором. Аналогично защитные диоды транзисторов должны иметь такое же максимально допустимое обратное напряжение, как и МОП-транзисторы. В качестве альтернативы классическим диодам или диодам Шоттки можно использовать диоды, которые имеются в корпусах МОП-транзисторов. В зависимости от типа они способны выдерживать большие нагрузки, сохранять свои характеристики при более высокой температуре, чем та, что обычно указана в спецификации на транзистор. Не следует недооценивать и потери обратного восстановления, их тоже следует учитывать.

Потери мощности в цепи управления затвором: P_V = (U_diode×I)+(I²×R_pull-up), где U_diode — падение напряжения на диоде; R_pull-up — номинальное сопротивление резистора подтяжки.

Входной и выходной конденсаторы: особенности выбора

Входные и выходные конденсаторы в сочетании с дросселями служат в основном как элементы входного и выходного фильтров. Поскольку резонансные частоты в системе беспроводной передачи энергии находятся ниже 200 кГц, то конденсаторы должны быть рассчитаны на более высокие рабочие частоты. Проведенные испытания показали, что значения их номинальных емкостей в зависимости от конкретных решений системы и индуктивности дросселей могут принадлежать к диапазону 10–1000 мкФ. Частота среза по уровню –6 дБ такого LC-фильтра должна составлять около 1/10 от частоты колебательного контура системы. При этом ее ослабление теоретически ожидается с коэффициентом 40 дБ/декада. Принимая во внимание неидеальность реальных компонентов фильтра, на практике следует ожидать уровень затухания 30 дБ/декада. В зависимости от используемого типа дросселя на текущий через него постоянный ток может быть наложен значительный компонент переменного тока. Если этот ток слишком высок, то для работы на больших токах пульсаций вместо обычного алюминиевого электролитического конденсатора лучше использовать полимерный электролитический конденсатор, выдерживающий большие токи переменной составляющей. Полимерные и керамические конденсаторы с присущим им низким ESR также обеспечивают возможность значительного уменьшения амплитуды пульсации отраженного напряжения. Меньшая пульсация напряжения означает, что при измерении помех, влияющих на ЭМС, их уровень будет ниже. Наилучший результат достигается при использовании параллельного соединения алюминиевых электролитных конденсаторов и полимерных или керамических конденсаторов, например WCAP-PTHR или WCAP-PSLC.

Частота среза входного/выходного фильтра:

где L — индуктивность дросселя фильтра; C — емкость конденсатора или суммарная емкость всех конденсаторов фильтра.

Падение напряжения (напряжение пульсаций) на конденсаторе фильтра: U_ripple = ESR×I_AC, где ESR — эквивалентное сопротивление конденсатора или суммарное эквивалентное сопротивление всех конденсаторов фильтра; I_AC — переменная составляющая тока.

Возможные проблемы, которые необходимо учитывать при разработке резонансного преобразователя

На практике, если вы остановили свой выбор на предлагаемой топологии схемы, основа которой, несомненно, удобный для использования генератор Ройера, вам обязательно необходимо рассмотреть два момента, связанных с тем, чтобы исключить защелкивание МОП-транзисторов.

Требования кисточнику питания передатчика в момент включения системы беспроводной передачи мощности

Если источник питания не в состоянии обеспечить достаточный пусковой ток во время переходного процесса при включении, произойдет просадка напряжения и может случиться так, что один из двух МОП-транзисторов начнет зависать в режиме линейного усиления, а через напряжение питания постоянно закорачиваться на «землю», что способно привести к перегреву МОП-транзистора и, как следствие, к его выходу из строя. Следует также обратить внимание на то, чтобы конденсатор входного фильтра не имел чрезмерного номинала, поскольку это может еще больше усугубить эффект «защелкивания», ведь блок питания, кроме пускового тока для генератора, должен будет зарядить и этот конденсатор.

На практике подобного негативного эффекта удается избежать, подключив конденсаторы и резонансный контур к рабочему напряжению еще до остальной части схемы. Затем затворы МОП-транзисторов можно переключать с помощью оптопар или транзисторов. Затворами также управляют и через отдельный источник питающего напряжения, например уже упомянутый модуль серии MagI³C, его включение от основного источника питания выполняется с некоторой задержкой.

Импеданс, отраженный отстороны приемника к передатчику

С учетом больших скачков нагрузки на стороне приемника и вполне реальных внезапных изменений коэффициентов связи катушек может случиться так, что частично отраженный импеданс накоротко замыкает индуктивность намагничивания со стороны передатчика. Это, в свою очередь, приводит к срыву колебаний, а схема «защелкивается».

Коэффициент связи можно определить как:

где U_sec — напряжение на вторичной обмотке; U_pri — напряжение на первичной обмотке; N_pri — число витков первичной обмотки; N_sec — число витков вторичной обмотки; L_pri — индуктивность первичной обмотки; L_sec — индуктивность вторичной обмотки.

M — коэффициент взаимоиндукции определяется как:

Для противодействия этому негативному эффекту полезно слегка отстроить частоту резонансного контура приемника при помощи подключения дополнительного параллельного конденсатора так, чтобы резонансная частота самого контура приемника была на 10–20% выше частоты контура передатчика. Альтернативно, параллельно катушке передатчика, может быть подсоединена дополнительная индуктивность (дроссель), причем так, чтобы не возникло магнитной связи с каналом передачи энергии. Эта параллельная индуктивность должна быть равна или меньше индуктивности намагничивания катушки передатчика. Дроссель сохраняет энергию во время ZVS-процесса и помогает поддерживать колебания в случае неблагоприятных переходных процессов, связанных с изменением нагрузки.

Отраженный импеданс с параллельной компенсацией:

где f — частота; R_load — сопротивление нагрузки.

Резонансный конденсаторный приемник:

Дополнительная компенсирующая емкость приемника:

На первом этапе, еще при создании прототипа, важно насколько это возможно проверить все ситуации, связанные с изменением нагрузки, что критично для обеспечения надежной конструкции с надлежащей функциональностью.

Оптимизация окружающей среды катушек WPT

Если катушки WPT закреплены на металле, то в этом случае могут возникать индуктивные потери из-за индуцированных вихревых токов, вызванных магнитным полем рассеяния. Кроме того, металл, например медь на печатных платах, способен нагреваться. Мощные магнитные поля рассеяния также могут оказывать непреднамеренное влияние на электронные компоненты схемы. Этот эффект будет увеличиваться при разносе катушек WPT.

Меры предупреждения предполагают максимальное удаление излучающей катушки от элементов печатной платы и металлических частей от катушек, а также использование гибких ферритовых материалов с высокой магнитной проницаемостью, таких как WE-FSFS [4] (код заказа 374006), что позволит сфокусировать магнитный поток в заданном направлении и не превращать его в ненужное тепло. Для рассматриваемого материала на рис. 4 приведены графики поведения действительной и реактивной составляющих относительной магнитной проницаемости.

Рис. 4. Внешний вид и зависимость относительной магнитной проницаемости гибкого ферритового материала типа WE-FSFS

Здесь µ’ — это действительная часть, µ” — реактивная, или мнимая, часть, описывающая зависящие от частоты потери либо, как их называют, потери на гистерезис. Данные потери приводят к разогреву материала и ухудшению его магнитных свойств, более подробно об этом написано в [5].

Пример решения

Примеры решений, которые рассматривались в рамках настоящей статьи, приведены в [1]. На рис. 5 дан пример обратимой схемы, которая может использоваться как передатчик и приемник для беспроводных систем передачи энергии мощностью 100 Вт. (Внимание! В схеме присутствуют напряжения, опасные для прикосновения.)

Рис. 5. Резонансный преобразователь для катушек со средним отводом, который можно использовать на стороне передатчика и на стороне приемника. Изображение взято из [1]

Преимущество схемы, предлагаемой на рис. 5, состоит в том, что здесь требуется только одна катушка фильтра. Центральный отвод увеличивает частоту колебаний в два раза, а уровень пульсаций входного/выходного напряжения становится меньше. Это позволяет использовать менее габаритные дроссели в фильтрах. Кроме того, благодаря наличию двух перекрывающихся катушек снижаются требования по точности сопряжения катушек передающей и приемной стороны. Дополнительное напряжение 8–10 В можно получить из основного рабочего напряжения посредством маломощного линейного стабилизатора или стабилизатора компании Würth Elektronik (код заказа: 171012401). Транзисторы M3 и M4, выполняющие роль диодов, могут быть заменены быстрыми 1‑А диодами Шоттки с номинальным обратным напряжением 100 В.

Если для запитки подтягивающих резисторов применить более низкое напряжение от вспомогательного источника, то удается сократить потери мощности. В качестве конденсаторов C5 и C6 могут быть использованы конденсаторы номинальной емкостью 1 нФ, рассчитанные на рабочее напряжение 50 В, с ТКЕ NP0. Они необходимы для формирования крутых фронтов при переключении транзисторов М1 и М2. Конструктивное исполнение данной схемы приведено на рис. 6.

Рис. 6. Пример конструкции передатчика/приемника, схема которого приведена на рис. 5, с катушками 760308104119, выполненными на одном основании

Заключение

Предложенный вниманию читателей резонансный преобразователь представляет собой очень гибкое решение, которое легко адаптируется к условиям работы самых разнообразных приложений. Он может обеспечить наиболее эффективную беспроводную передачу энергии до нескольких сотен ватт. Если для конкретного приложения необходимо ужесточить требования по безопасности (в частности, отсутствие электрической искры при включении/выключении, обнаружение состояния передачи энергии, например при заряде аккумуляторной батареи и т. д.), то предпочтительным окажется именно представленный вариант. Предложенное в настоящей статье схемотехническое решение может стать основой и легко адаптироваться к специфике проектируемого оборудования. Вместо топологии резонансного преобразователя основой может служить и классическая мостовая схема с активным регулированием. В любом случае измерения на соответствие требованиям стандартов по ЭМС должны выполняться уже на первых прототипах и на самой ранней стадии разработки.

Высокая эффективность, малые габариты и выполнение требований стандартов в части ЭМС в большей степени зависят от схемы генератора, чем от катушек передатчика и приемника. Помимо широкого ассортимента самой разнообразной продукции, компания Würth Elektronik предлагает удобные в применении, полностью собранные катушки с наивысшими значениями добротности Q, которые благодаря высоким значениям индуктивности позволяют использовать малогабаритные конденсаторы.

На катушки намотан высокочастотный специальный многожильный провод, каждая жила которого покрыта изолирующим лаком — литцендратом (от нем. Litzen — пряди, и Draht — провод). Этот провод создан именно для изготовления высокодобротных катушек индуктивности. Данное конструктивное решение позволяет катушкам компании Würth Elektronik работать на большой мощности с низкими потерями на токах частоты преобразования. В сочетании с высококачественными ферритовыми материалами, имеющими высокую магнитную проницаемость, обеспечивается не только максимальная эффективность, но и наилучшие показатели электромагнитной совместимости уже как свойство конечного продукта.

В двух частях настоящей статьи показаны принцип и общее решение устройств беспроводной передачи энергии большой мощности, работающих в условиях индустриальной среды, представлены варианты возможных технических решений, даны рекомендации, приведено перспективное практическое решение. Далее будут рассмотрены аспекты, связанные с электромагнитными помехами (ЭМП), и вытекающие из этого вопросы соответствия представленных устройств требованиям по электромагнитной совместимости. Данная публикация, несомненно, окажется полезной разработчикам систем беспроводной передачи энергии, причем не только однонаправленных, типа зарядных устройств, но и двунаправленных, когда приемник и передатчик энергии могут меняться местами.

Беспроводной способ передачи электроэнергии. Новейший кейс применения разработки компании Emrod

Пока страны думают, как снизить объемы выбросов CO2 в атмосферу, увеличивая долю ВИЭ и атомной энергии, а десятки компаний ищут идеальный накопитель электроэнергии, новозеландский стартап Emrod презентовал способ беспроводной передачи электроэнергии.

{“id”:168713,”url”:”https:\/\/vc.ru\/future\/168713-besprovodnoy-sposob-peredachi-elektroenergii-noveyshiy-keys-primeneniya-razrabotki-kompanii-emrod”,”title”:”\u0411\u0435\u0441\u043f\u0440\u043e\u0432\u043e\u0434\u043d\u043e\u0439 \u0441\u043f\u043e\u0441\u043e\u0431 \u043f\u0435\u0440\u0435\u0434\u0430\u0447\u0438 \u044d\u043b\u0435\u043a\u0442\u0440\u043e\u044d\u043d\u0435\u0440\u0433\u0438\u0438. \u041d\u043e\u0432\u0435\u0439\u0448\u0438\u0439 \u043a\u0435\u0439\u0441 \u043f\u0440\u0438\u043c\u0435\u043d\u0435\u043d\u0438\u044f \u0440\u0430\u0437\u0440\u0430\u0431\u043e\u0442\u043a\u0438 \u043a\u043e\u043c\u043f\u0430\u043d\u0438\u0438 Emrod”,”services”:{“facebook”:{“url”:”https:\/\/www. facebook.com\/sharer\/sharer.php?u=https:\/\/vc.ru\/future\/168713-besprovodnoy-sposob-peredachi-elektroenergii-noveyshiy-keys-primeneniya-razrabotki-kompanii-emrod”,”short_name”:”FB”,”title”:”Facebook”,”width”:600,”height”:450},”vkontakte”:{“url”:”https:\/\/vk.com\/share.php?url=https:\/\/vc.ru\/future\/168713-besprovodnoy-sposob-peredachi-elektroenergii-noveyshiy-keys-primeneniya-razrabotki-kompanii-emrod&title=\u0411\u0435\u0441\u043f\u0440\u043e\u0432\u043e\u0434\u043d\u043e\u0439 \u0441\u043f\u043e\u0441\u043e\u0431 \u043f\u0435\u0440\u0435\u0434\u0430\u0447\u0438 \u044d\u043b\u0435\u043a\u0442\u0440\u043e\u044d\u043d\u0435\u0440\u0433\u0438\u0438. \u041d\u043e\u0432\u0435\u0439\u0448\u0438\u0439 \u043a\u0435\u0439\u0441 \u043f\u0440\u0438\u043c\u0435\u043d\u0435\u043d\u0438\u044f \u0440\u0430\u0437\u0440\u0430\u0431\u043e\u0442\u043a\u0438 \u043a\u043e\u043c\u043f\u0430\u043d\u0438\u0438 Emrod”,”short_name”:”VK”,”title”:”\u0412\u041a\u043e\u043d\u0442\u0430\u043a\u0442\u0435″,”width”:600,”height”:450},”twitter”:{“url”:”https:\/\/twitter.com\/intent\/tweet?url=https:\/\/vc.ru\/future\/168713-besprovodnoy-sposob-peredachi-elektroenergii-noveyshiy-keys-primeneniya-razrabotki-kompanii-emrod&text=\u0411\u0435\u0441\u043f\u0440\u043e\u0432\u043e\u0434\u043d\u043e\u0439 \u0441\u043f\u043e\u0441\u043e\u0431 \u043f\u0435\u0440\u0435\u0434\u0430\u0447\u0438 \u044d\u043b\u0435\u043a\u0442\u0440\u043e\u044d\u043d\u0435\u0440\u0433\u0438\u0438. \u041d\u043e\u0432\u0435\u0439\u0448\u0438\u0439 \u043a\u0435\u0439\u0441 \u043f\u0440\u0438\u043c\u0435\u043d\u0435\u043d\u0438\u044f \u0440\u0430\u0437\u0440\u0430\u0431\u043e\u0442\u043a\u0438 \u043a\u043e\u043c\u043f\u0430\u043d\u0438\u0438 Emrod”,”short_name”:”TW”,”title”:”Twitter”,”width”:600,”height”:450},”telegram”:{“url”:”tg:\/\/msg_url?url=https:\/\/vc.ru\/future\/168713-besprovodnoy-sposob-peredachi-elektroenergii-noveyshiy-keys-primeneniya-razrabotki-kompanii-emrod&text=\u0411\u0435\u0441\u043f\u0440\u043e\u0432\u043e\u0434\u043d\u043e\u0439 \u0441\u043f\u043e\u0441\u043e\u0431 \u043f\u0435\u0440\u0435\u0434\u0430\u0447\u0438 \u044d\u043b\u0435\u043a\u0442\u0440\u043e\u044d\u043d\u0435\u0440\u0433\u0438\u0438. \u041d\u043e\u0432\u0435\u0439\u0448\u0438\u0439 \u043a\u0435\u0439\u0441 \u043f\u0440\u0438\u043c\u0435\u043d\u0435\u043d\u0438\u044f \u0440\u0430\u0437\u0440\u0430\u0431\u043e\u0442\u043a\u0438 \u043a\u043e\u043c\u043f\u0430\u043d\u0438\u0438 Emrod”,”short_name”:”TG”,”title”:”Telegram”,”width”:600,”height”:450},”odnoklassniki”:{“url”:”http:\/\/connect.ok.ru\/dk?st.cmd=WidgetSharePreview&service=odnoklassniki&st.shareUrl=https:\/\/vc.ru\/future\/168713-besprovodnoy-sposob-peredachi-elektroenergii-noveyshiy-keys-primeneniya-razrabotki-kompanii-emrod”,”short_name”:”OK”,”title”:”\u041e\u0434\u043d\u043e\u043a\u043b\u0430\u0441\u0441\u043d\u0438\u043a\u0438″,”width”:600,”height”:450},”email”:{“url”:”mailto:?subject=\u0411\u0435\u0441\u043f\u0440\u043e\u0432\u043e\u0434\u043d\u043e\u0439 \u0441\u043f\u043e\u0441\u043e\u0431 \u043f\u0435\u0440\u0435\u0434\u0430\u0447\u0438 \u044d\u043b\u0435\u043a\u0442\u0440\u043e\u044d\u043d\u0435\u0440\u0433\u0438\u0438. \u041d\u043e\u0432\u0435\u0439\u0448\u0438\u0439 \u043a\u0435\u0439\u0441 \u043f\u0440\u0438\u043c\u0435\u043d\u0435\u043d\u0438\u044f \u0440\u0430\u0437\u0440\u0430\u0431\u043e\u0442\u043a\u0438 \u043a\u043e\u043c\u043f\u0430\u043d\u0438\u0438 Emrod&body=https:\/\/vc.ru\/future\/168713-besprovodnoy-sposob-peredachi-elektroenergii-noveyshiy-keys-primeneniya-razrabotki-kompanii-emrod”,”short_name”:”Email”,”title”:”\u041e\u0442\u043f\u0440\u0430\u0432\u0438\u0442\u044c \u043d\u0430 \u043f\u043e\u0447\u0442\u0443″,”width”:600,”height”:450}},”isFavorited”:false}

1261 просмотров

Фото с официального сайта компании Emrod

Предприниматель Грег Кушнир задумался о дешевом и надежном способе электроснабжения в обход тяжеловесной инфраструктуры электрических сетей. В ходе исследований изучил работу НАСА и Японского космического агентства, которые планировали собирать солнечную энергию с помощью спутников и транслировать на Землю. Кушнир понял, что способ бесконтактной передачи электроэнергии на расстояния существует. Единичные исследования в этой области натыкались на проблему потерь большей части энергии и прекращались.

Ученый Рэй Симпкин из Callaghan Innovation по заказу Кушнира и при финансовой поддержке государства разработал прототип устройства беспроводной передачи электроэнергии.

Устройство беспроводной передачи энергии. Из чего состоит и как работает

Устройство представляет собой выполненные из метаматериалов передающую, принимающую антенны и реле между ними. Электрическая энергия в установке, проходя через передающую антенну, преобразуется в электромагнитные волны, направляется в ретранслирующие экраны, попадает в ректенну и трансформируется обратно в электроэнергию. Дальность действия устройства ограничивается видимостью.

Фото с официального сайта компании Emrod

Потеря энергии при передаче на прототипе составляет 30%. Причем эффективность принимающей антенны из радиопоглощающих метаматериалов стремится к 100%.

Прототип разработки с октября тестируется компанией Powerco — вторым по величине поставщиком электроэнергии в Новой Зеландии. Аппарат передает ток мощностью всего 2 кВт, но создатели уверяют, что мощность, как и дальность, легко нарастить.

Для передачи энергии Emrod задействует неионизирующий промышленный, научный и медицинский диапазон частот (ISM). Существуют международные правила безопасности по использованию такой частоты и долгая история применения среди людей без ущерба здоровью.

Представители Emrod утверждают, что установка не угрожает птицам и дронам, оказавшимся на пути электромагнитных волн. Сети лазерных лучей окружают электрический путь, и, если в их периметр попадает объект, передача энергии прерывается, что не сказывается на бесперебойности электроснабжения. Снег, дождь, град, взвеси пыли не приводят к отключению устройства.

Планы компании Emrod

Разработчики не планируют вытеснять привычные электрические сети, а предлагают использовать устройство в труднодоступных районах или для быстрого возобновления электроснабжения на аварийных участках сети с помощью машин с антеннами.

Кроме того, установка таких аппаратов позволит передавать энергию станций ВИЭ в регионы с неподходящим для выработки «зеленой энергии» климатом.

15 октября компания написала на официальном сайте о возможном кейсе применения своей разработки для электроснабжении острова Стьюарт. Он расположен в 30 км от Южного острова в Новой Зеландии. 85% территории, а это 1300 квадратных километров, занимает Национальный парк Ракиура. Стьюарт почти полностью покрыт лесом, на острове живут 5 видов пингвинов, коричневая птица киви, редкий вид попугая Нестор-кака.

Фото с официального сайта компании Emrod

У национального парка с сохраненной экосистемой есть скелет в шкафу, не гармонирующий с имиджем парка. Потребности в электроэнергии острова покрываются дизельной генерацией и использованием сжиженного нефтяного газа, а годовые выбросы СО2 составляют 820 тонн. Кроме того, стоимость электроэнергии за кВт-ч на полдоллара дороже, чем на территории Новой Зеландии, питающейся от национальных электрических сетей. Люди экономят слишком дорогую энергию, поэтому потребление на человека на острове Стьюарт составляет меньше половины среднего потребления по стране.

Решением проблемы дорогостоящего и неэкологичного энергоснабжения могла бы стать прокладка подводного кабеля или использование энергии солнца и ветра на острове. Однако первый вариант требует огромных затрат, а ВИЭ не покроют потребностей в электроэнергии из-за недостаточной выработки в силу климата. Более того, установки для ВИЭ могут негативно влиять на экосистему. Солнечные панели закроют собой огромную площадь национального парка, а ветряная электростанция создаст вибрацию, к которой чувствительны птицы.

Emrod предлагает передавать энергию бесконтактно от ВИЭ с Южного острова. Компания подсчитала, что беспроводная передача электроэнергии за счет экономии на инфраструктуре снизит тариф для жителей Стьюарта с 0. 6$ за кВт-ч до 0,46$ за кВт-ч. Это самый бюджетный вариант за аналогичную мощность.

Если разработка Emrod докажет жизнеспособность, то станет яркой иллюстрацией прорывных технологий, когда вдруг появляется стартап и кардинально меняет отрасль, устанавливая новые недорогие способы передачи электроэнергии.

Алексей Голиков

3 способа беспроводной передачи энергии

Когда компания Apple представила свое первое беспроводное зарядное устройство для сотовых телефонов и гаджетов, многие посчитали это революцией и огромным скачком вперед в беспроводных способах передачи энергии.

Но были ли они первопроходцами или еще до них, кому-то удавалось проделать нечто похожее, правда без должного маркетинга и пиара? Оказывается были, притом очень давно и изобретателей таких было множество.

Так еще в далеком 1893г прославленный Никола Тесла, продемонстрировал изумленной публике свечение люминесцентных ламп. При том, что все они были без проводов.

Сейчас такой фокус может повторить любой школьник, выйдя в чистое поле и встав с лампой дневного света под линию высокого напряжения от 220кв и выше.

Чуть попозже, Тесла уже сумел зажечь таким же беспроводным способом фосфорную лампочку накаливания.

В России в 1895г А.Попов показал в работе первый в мире радиоприемник. А ведь по большому счету это тоже является беспроводной передачей энергии.

Самый главный вопрос и одновременно проблема всей технологии беспроводных зарядок и подобных методов заключается в двух моментах:

как далеко можно передать электроэнергию таким способом

и какое количество

Для начала давайте разберемся, какую мощность имеют приборы и бытовая техника нас окружающие. Например для телефона, смартчасов или планшета требуется максимум 10-12Вт.

У ноутбука запросы уже побольше – 60-80Вт. Это можно сравнить со средней лампочкой накаливания. А вот бытовая техника, особенно кухонная, кушает уже несколько тысяч ватт.

Поэтому очень важно не экономить с количеством розеток на кухне.

Так какие же методы и способы для передачи эл.энергии без применения кабелей или любых других проводников, придумало человечество за все эти годы. И самое главное, почему они до сих пор не внедрены столь активно в нашу жизнь, как того хотелось бы.

Взять ту же самую кухонную технику. Давайте разбираться подробнее.

Передача энергии через катушки

Самый легко реализуемый способ – использование катушек индуктивности.

Здесь принцип очень простой. Берутся 2 катушки и размещаются недалеко друг от друга. На одну из них подается питание. Другая играет роль приемника.

Когда в источнике питания регулируется или изменяется сила тока, на второй катушке магнитный поток автоматически также изменяется. Как гласят законы физики, при этом будет возникать ЭДС и она будет напрямую зависеть от скорости изменения этого потока.

Казалось бы все просто. Но недостатки портят всю радужную картинку. Минусов три:

маленькая мощность

Данным способом вы не передадите большие объемы и не сможете подключить мощные приборы. А попытаетесь это сделать, то просто поплавите все обмотки.

небольшое расстояние

Даже не задумывайтесь здесь о передаче электричества на десятки или сотни метров. Такой способ имеет ограниченное действие.

Чтобы физически понять, насколько все плохо, возьмите два магнита и прикиньте, как далеко их нужно развести, чтобы они перестали притягиваться или отталкиваться друг от друга. Вот примерно такая же эффективность и у катушек.

Можно конечно исхитриться и добиться того, чтобы эти два элемента всегда были близко друг от друга. Например электромобиль и специальная подзаряжающая дорога.

Но в какие суммы выльется строительство таких магистралей.

Еще одна проблема это низкий КПД. Он не превышает 40%. Получается, что таким способом передать много эл.энергии на большие расстояния вы не сможете.
Тот же Н.Тесла указал на это еще в 1899г. Позже он перешел на эксперименты с атмосферным электричеством, рассчитывая в нем найти разгадку и решение проблемы.
Однако какими бы не казались бесполезными все эти штуки, с их помощью до сих пор можно устраивать красивые светомузыкальные представления.
Или подзаряжать технику гораздо большую чем телефоны. Например электрические велосипеды.
Лазерная передача энергии
Но как же передать больше энергии на большее расстояние? Задумайтесь, в каких фильмах подобную технологию мы видим очень часто.
Первое что приходит на ум даже школьнику – это “Звездные войны”, лазеры и световые мечи.
Безусловно, с их помощью можно передать большое количество эл.энергии на очень приличные расстояния. Но опять все портит маленькая проблемка.
К нашему счастью, но несчастью для лазера, на Земле есть атмосфера. А она как раз таки хорошо глушит и кушает большую часть всей энергии лазерного излучения. Поэтому с данной технологией нужно идти в космос.
На Земле также были попытки и эксперименты по проверке работоспособности метода. Nasa даже устраивали состязания по лазерной беспроводной передаче энергии с призовым фондом чуть менее 1млн.$.
В итоге выиграла компания Laser Motive. Их победный результат – 1км и 0,5квт переданной непрерывной мощности. Правда при этом в процессе передачи, ученые потеряли 90% всей изначальной энергии.

Но все равно, даже с КПД в десять процентов, результат посчитали успешным.
Напомним, что у простой лампочки полезной энергии, которая идет непосредственно на свет, и того меньше. Поэтому из них и выгодно изготавливать инфракрасные обогреватели.
Неужели нет другого реально работающего способа передать электричество без проводов. Есть, и его изобрели еще до попыток и детских игр в звездные войны.
Оказывается, что специальные микроволны с длиной в 12см (частота 2,45Ггц), являются как бы прозрачными для атмосферы и она им не мешает в распространении.
Какой бы ни была плохой погода, при передаче с помощью микроволн, вы потеряете всего пять процентов! Но для этого вы сначала должны преобразовать электрический ток в микроволны, затем их поймать и опять вернуть в первоначальное состояние.
Первую проблему ученые решили очень давно. Они изобрели для этого специальное устройство и назвали его магнетрон.
Причем это было сделано настолько профессионально и безопасно, что сегодня каждый из вас у себя дома имеет такой аппарат. Зайдите на кухню и обратите внимание на свою микроволновку.
У нее внутри стоит тот самый магнетрон с КПД равным 95%.
Но вот как сделать обратное преобразование? И тут было выработано два подхода:
В США еще в шестидесятых годах ученый У.Браун придумал антенну, которая и выполняла требуемую задачу. То есть преобразовывала падающее на него излучение, обратно в электрический ток.
Он даже дал ей свое название – ректенна.
После изобретения последовали опыты. И в 1975г при помощи ректенны, было передано и принято целых 30 квт мощности на расстоянии более одного километра. Потери при передаче составили всего 18%.
Спустя почти полвека, этот опыт до сих так никто и не смог превзойти. Казалось бы метод найден, так почему же эти ректенны не запустили в массы?
И тут опять всплывают недостатки. Ректенны были собраны на основе миниатюрных полупроводников. Нормальная работа для них – это передача всего нескольких ватт мощности.
А если вы захотите передать десятки или сотни квт, то готовьтесь собирать гигантские панели.
И вот тут как раз таки появляются не разрешимые сложности. Во-первых, это переизлучение.
Мало того, что вы потеряете из-за него часть энергии, так еще и приблизиться к панелям без потери своего здоровья не сможете.
Вторая головная боль – нестабильность полупроводников в панелях. Достаточно из-за малой перегрузки перегореть одному, и остальные выходят из строя лавинообразно, подобно спичкам.
В СССР все было несколько иначе. Не зря наши военные были уверены, что даже при ядерном взрыве, вся зарубежная техника сразу выйдет из строя, а советская нет. Весь секрет тут в лампах.
В МГУ два наших ученых В.Савин и В.Ванке, сконструировали так называемый циклотронный преобразователь энергии. Он имеет приличные размеры, так как собран на основе ламповой технологии.
Внешне это что-то вроде трубки длиной 40см и диаметром 15см. КПД у этого лампового агрегата чуть меньше, чем у американской полупроводниковой штуки – до 85%.
Но в отличие от полупроводниковых детекторов, циклотронный преобразователь энергии имеет ряд существенных достоинств:
большая мощность
стойкость к перегрузкам
отсутствие переизлучения
невысокая цена изготовления
Однако несмотря на все вышесказанное, во всем мире передовым считаются именно полупроводниковые методы реализации проектов. Здесь тоже присутствует свой элемент моды.
После первого появления полупроводников, все резко начали отказываться от ламповых технологий. Но практические испытания говорят о том, что это зачастую неправильный подход.
Конечно, ламповые сотовые телефоны по 20кг или компьютеры, занимающие целые комнаты никому не интересны.
Но иногда только проверенные старые методы, могут нас выручить в безвыходных ситуациях.
В итоге на сегодняшний день, мы имеем три возможности передать энергию без проводов. Самый первый из рассмотренных ограничен как расстоянием, так и мощностью.
Но этого вполне хватит, чтобы зарядить батарейку смартфона, планшета или чего-то побольше. КПД хоть и маленький, но метод все же рабочий.
Способ с лазерами хорош только в космосе. На поверхности земли это не очень эффективно. Правда когда другого выхода нет, можно воспользоваться и им.
Зато микроволны дают полет для фантазий. С их помощью можно передавать энергию:
на земле и в космосе
с поверхности земли на космический корабль или спутник
и наоборот, со спутника в космосе обратно на землю
Реальные проекты в наши дни
За все последние годы, согласно вышеприведенным технологиям, ученые пытались и пытаются реализовать всего два проекта.
Первый из них начинался очень обнадеживающе. В 2000-х годах на о.Реюньон, возникла потребность в постоянной передаче 10кВт мощности на расстояние в 1км.
Горный рельеф и местная растительность, не позволяли проложить там ни воздушные линии электропередач, ни кабельные.
Все перемещения на острове в эту точку осуществлялось исключительно на вертолетах.
Для решения проблемы в одну команду были собраны лучшие умы из разных стран. В том числе и ранее упоминавшиеся в статье, наши ученые из МГУ В.Ванке и В.Савин.
Однако в момент, когда должны были приступать к практической реализации и строительству передатчиков и приемников энергии, проект заморозили и остановили. А с началом кризиса в 2008 году и вовсе забросили.
На самом деле это очень обидно, так как теоретическая работа там была проделана колоссальная и достойная реализации.
Второй проект, выглядит более безумным чем первый. Однако на него выделяются реальные средства. Сама идея была высказана еще в 1968г физиком из США П.Глэйзером.
Он предложил на тот момент не совсем нормальную идею – вывести на геостационарную орбиту в 36000 км над землей огромный спутник. На нем расположить солнечные панели, которые будут собирать бесплатную энергию солнца.
Затем все это должно преобразовываться в пучок СВЧ волн и передаваться на землю.
Этакая “звезда смерти” в наших земных реалиях.
На земле пучок нужно поймать гигантскими антеннами и преобразовать в электричество.
Насколько огромны должны быть эти антенны? Представьте, что если спутник будет в диаметре 1км, то на земле приемник должен быть в 5 раз больше – 5км (размер Садового кольца).
Но размеры это всего лишь малая часть проблем. После всех расчетов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы электричество мощностью в 5ГВт. При достижении земли оставалось бы всего 2ГВт. К примеру Красноярская ГЭС дает 6ГВт.
Поэтому его идею рассмотрели, посчитали и отложили в сторонку, так как все изначально упиралось в цену. Стоимость космического проекта в те времена вылезла за 1трлн.$.
Но наука к счастью не стоит на месте. Технологии совершенствуются и дешевеют. Сейчас разработку такой солнечной космической станции уже ведут несколько стран. Хотя в начале двадцатого века для беспроводной передачи электроэнергии хватало всего одного гениального человека.
Общая цена проекта упала от изначальной до 25млрд.$. Остается вопрос – увидим ли мы в ближайшее время его реализацию?
К сожалению никто вам четкого ответа не даст. Ставки делают только на вторую половину нынешнего столетия. Поэтому пока давайте довольствоваться беспроводными зарядками для смартфонов и надеяться что ученым удастся повысить их КПД. Ну или в конце концов на Земле родится второй Никола Тесла.
Статьи по теме
Устройство передачи энергии, способ управления устройством передачи энергии и система передачи энергии
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к методике беспроводной передачи энергии.
Уровень техники
[0002] в последние годы, системы беспроводной передачи энергии претерпели значительное техническое развитие. В этой связи, при наличии постороннего вещества, например, куска металла в зоне, где устройство передачи энергии может передавать энергию, в постороннем веществе будет течь вихревой ток, и будет происходить нежелательный нагрев. По этой причине, в системе беспроводной передачи энергии, необходимо осуществлять надлежащую передачи энергии на устройство приема энергии с учетом влияния на посторонние вещества. Например, выложенная японская патентная заявка № 2013-17379 (патентный источник 1) предлагает методику снабжения устройства приема энергии цепью для измерения добротности антенны приема энергии и осуществления обнаружения постороннего вещества с использованием результата измерения добротности.
[0003] Однако проблема методики, раскрытой в вышеупомянутом патентном документе 1, состоит в том, что цепь для измерения добротности антенны приема энергии необходимо вновь обеспечивать, что приводит к увеличению стоимости.
Сущность изобретения
[0004] Согласно аспекту настоящего изобретения, устройство передачи энергии, которое передает беспроводным образом энергию на устройство приема энергии, причем устройство передачи энергии содержит: средство передачи энергии для осуществления беспроводной передачи энергии на устройство приема энергии, размещенное в заранее определенной зоне передачи энергии; средство хранения для хранения начального значения импеданса, которое является значением выходного импеданса средства передачи энергии в состоянии, когда в заранее определенной зоне передачи энергии нет ни одного объекта; средство обнаружения для обнаружения выходного импеданса средства передачи энергии, когда заранее определенный сигнал обнаружения передан средством передачи энергии; и средство определения для определения, что постороннее вещество присутствует в заранее определенной зоне передачи энергии, в случае, когда начальное значение импеданса и значение выходного импеданса, обнаруженное средством обнаружения, не совпадают и не происходит изменения значения выходного импеданса между моментами до и после передачи заранее определенного сигнала обнаружения, и определения, что устройство приема энергии присутствует в заранее определенной зоне передачи энергии, в случае, когда начальное значение импеданса и значение выходного импеданса, обнаруженное средством обнаружения, не совпадают и происходит изменение значения выходного импеданса между моментами до и после передачи заранее определенного сигнала обнаружения.
[0005] Согласно аспекту настоящего изобретения, можно обеспечить методику, которая позволяет обнаруживать постороннее вещество с использованием простой конфигурации и позволяет надлежащим образом управлять передачей энергии в системе передачи энергии.
[0006] Дополнительные признаки настоящего изобретения явствуют из нижеследующего описания иллюстративных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
[0007] Прилагаемые чертежи, включенные в описание изобретения и составляющие его часть, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и, совместно с описанием, служат для объяснения принципов изобретения.
[0008] Фиг. 1 – схема общей конфигурации системы передачи энергии согласно первому варианту осуществления.
[0009] Фиг. 2A – 2D – схемы, демонстрирующие примеры состояний на периферии зоны передачи энергии в системе передачи энергии.
[0010] Фиг. 3 – схема для описания работы блока 103 обнаружения.
[0011] Фиг. 4 – схема, демонстрирующая иллюстративную конфигурацию усилителя в режиме класса “E”.
[0012] Фиг. 5 – временная диаграмма для описания операций блока 113 передачи энергии и блока 103 обнаружения.
[0013] Фиг. 6A и 6B – временные диаграммы для описания операций устройства передачи энергии.
[0014] Фиг. 7 – схема, демонстрирующая пример флагов, хранящихся в блоке 105 хранения состояния системы.
[0015] Фиг. 8 – схема, демонстрирующая пример информации, хранящейся в блоке 106 хранения ID в устройстве передачи энергии.
[0016] Фиг. 9 – схема, демонстрирующая пример информации, хранящейся в блоке 121 хранения ID в устройстве приема энергии.
[0017] Фиг. 10A и 10B – блок-схемы операций блока 103 обнаружения.
[0018] Фиг. 11A и 11B – блок-схемы операций для управления BT в устройстве 100 передачи энергии.
[0019] Фиг. 12A и 12B – блок-схемы операций для управления передачей энергии в устройстве 100 передачи энергии.
[0020] Фиг. 13A и 13B – блок-схемы операций для управления BT в устройстве 101 приема энергии.
[0021] Фиг. 14A и 14B – блок-схемы операций для управления приемом энергии в устройстве 101 приема энергии.
[0022] Фиг. 15 – схема, демонстрирующая пример информации, хранящейся в блоке 110 хранения импеданса.
Описание вариантов осуществления
[0023] предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будет подробно описан ниже со ссылкой на чертежи. Заметим, что нижеприведенные варианты осуществления являются лишь примерами и не призваны ограничивать объем настоящего изобретения.
[0024] Первый вариант осуществления
Первый вариант осуществления системы передачи энергии согласно настоящему изобретению будет описано ниже с использованием, в качестве примера, системы беспроводной передачи энергии, включающей в себя устройство 100 передачи энергии, которое осуществляет беспроводную передачу энергии, и устройство 101 приема энергии.
[0025] Конфигурация устройств
На фиг. 1 показана схема общей конфигурации системы передачи энергии согласно первому варианту осуществления. Устройство 100 передачи энергии и устройство 101 приема энергии осуществляют передачу энергии через среду 102. Заметим, что устройство передачи энергии и устройство приема энергии обмениваются информацией управления, которая подлежит использованию для управления беспроводной передачей энергии через блоки связи, включенные в оба устройства, и это будет подробно описано ниже. По этой причине, также будет описано управление установлением и ликвидацией канала связи между устройством передачи энергии и устройством приема энергии.
[0026] Сначала будет описана конфигурация устройства 100 передачи энергии. Блок 103 обнаружения является функциональным блоком, который осуществляет обнаружение значения выходного импеданса (именуемое ниже “Z-обнаружением”) источника напряжения постоянного тока 401 в усилителе в режиме класса “E”, который образует блок 113 передачи энергии, и будет подробно описан ниже. Блок 104 управления является функциональным блоком, который управляет устройством 100 передачи энергии согласно результату обнаружения блока 103 обнаружения. Блок 105 хранения состояния системы является функциональным блоком, где хранятся состояния системы передачи энергии, и который будет подробно описан ниже со ссылкой на фиг. 7. Блок 106 хранения ID является функциональным блоком, где хранится идентификационная информация устройства 101 приема энергии, и который будет подробно описан ниже со ссылкой на фиг. 8.
[0027] Первый таймер 107, второй таймер 108 и третий таймер 109 являются таймерами, которые используются, при необходимости, согласно рабочему состоянию системы, и будут подробно описаны ниже. Блок 110 хранения импеданса является функциональным блоком, где хранятся результаты обнаружения значения импеданса, осуществляемого блоком 103 обнаружения, и который будет подробно описан ниже со ссылкой на фиг. 15. Переключатель 111 компенсации ошибки является функциональным блоком, который принимает пользовательскую операцию, например, для компенсации состояния системной ошибки. Блок 112 отображения является функциональным блоком, который отображает информацию, касающуюся системы беспроводной передачи энергии, и отображает, например, информацию ошибки.
[0028] Блок 113 передачи энергии выдает энергию, подлежащую передаче через среду 102, на антенну 115 передачи энергии. Здесь блок 113 передачи энергии описан как образованный усилителем в режиме класса “E”. Блок 114 управления резонансом является функциональным блоком, который управляет резонансной частотой и характеристическим импедансом каналом передачи, который образован антенной 115 передачи энергии, антенной 125 приема энергии и средой 102.
[0029] Блок 116 связи (средство связи устройства передачи энергии) является функциональным блоком, который обменивается сигналами управления, касающимися энергии, которая подлежит передаче между антенной 115 передачи энергии и антенной 125 приема энергии. Заметим, что обмен сигналами управления осуществляется через антенны для связи (не показаны). В первом варианте осуществления, блок 116 связи совместимо со стандартом Bluetooth (зарегистрированный торговый знак) (именуемым ниже “BT”), но может быть совместим с другим стандартом связи. Здесь блок 116 связи также функционирует как главное устройство стандарта BT. Кроме того, устройство 100 передачи энергии выполнен с возможностью использования SDP (протокола предоставления услуг) для объявления услуг, которые оно предоставляет периферийным устройствам, и это будет подробно описано ниже. Здесь, устройство 100 передачи энергии объявляет, что оно предоставляет услугу под названием “беспроводная зарядка”.
[0030] Далее будет описана конфигурация устройства 101 приема энергии. Блок 117 приема энергии является функциональным блоком, который принимает энергию, передаваемую от внешнего устройства (в данном случае, устройства 100 передачи энергии). Нагрузка 118 потребляет энергию, принятую блоком 117 приема энергии, и образована в данном случае зарядной цепью и батареей. Блок 119 связи (средство связи устройства приема энергии) является функциональным блоком, который обменивается сигналами управления, касающимися энергии, которая подлежит передаче между антенной 115 передачи энергии и антенной 125 приема энергии. Он совместим со стандартом BT, аналогично блоку 116 связи. Здесь блок 119 связи описан как играющий роль подчиненного устройства стандарта BT.
[0031] Блок 120 сравнения является функциональным блоком, который сравнивает информацию, принятую антенной 125 приема энергии, и информацию, принятую блоком 119 связи. В блоке 121 хранения ID хранятся информация, принятая антенной 125 приема энергии, и идентификационная информация для устройства 100 передачи энергии, которая принимается с использованием блока 119 связи. Четвертый таймер 122 и пятый таймер 123 являются таймерами, которые используются, при необходимости, согласно рабочему состоянию системы, и будут подробно описаны ниже.
[0032] Блок 124 отображения является функциональным блоком, который отображает информацию, касающуюся системы беспроводной передачи энергии, и отображает, например, информацию ошибки. Антенна 125 приема энергии является функциональным блоком, электромагнитно связанным с антенной 115 передачи энергии и принимающим энергию. Блок 126 переключения является функциональным блоком, который соединяет антенну 125 приема энергии с резонансным блоком 128 или высоким сопротивлением 127.
[0033] Высокое сопротивление 127 является постоянным сопротивлением, например, порядка нескольких мегаом. Она имеет конфигурацию, в которой импеданс антенны 125 приема энергии, воспринимаемый антенной 115 передачи энергии, становится высоким импедансом (именуемым ниже “Hi-Z”), когда антенна 125 приема энергии и высокое сопротивление 127 соединены. Заметим, что в антенне 125 приема энергии не течет приблизительно никакого тока, когда импеданс установлен на Hi-Z.
[0034] Резонансный блок 128 является функциональным блоком, заставляющим канал передачи энергии резонировать при конкретном импедансе. В данном случае, канал передачи энергии образован блоком 114 управления резонансом, антенной 115 передачи энергии, средой 102, играющей роль канала передачи, и антенной 125 приема энергии. Заметим, что характеристический импеданс 129 является характеристическим импедансом в случае, когда резонансная цепь воспринимается блоком 130 переключения нагрузки, и в данном случае значение равно Zo.
[0035] Блок 130 переключения нагрузки является функциональным блоком, который осуществляет переключение между сопротивлением 132 согласования, значение сопротивления которого приблизительно равно Zo, блоком 133 управления нагрузкой и промежуточным сопротивлением 131. Промежуточное сопротивление 131 имеет значение сопротивления, которое ниже высокого сопротивления 127 и выше сопротивления 132 согласования. Промежуточное сопротивление 131 служит для установления импеданса антенны 125 приема энергии, воспринимаемого антенной 115 передачи энергии на промежуточный импеданс (именуемый ниже “Md-Z”) путем соединения с блоком 130 переключения нагрузки. Когда импеданс антенны 125 приема энергии, воспринимаемый антенной 115 передачи энергии, установлен на Md-Z, микроток течет в антенне 125 приема энергии и промежуточном сопротивлении 131.
[0036] Блок 133 управления нагрузкой является цепью преобразования импеданса, которая осуществляет операцию согласования импеданса нагрузки, который изменяется согласно энергопотреблению нагрузки 118 с характеристическим импедансом 119 (Zo), и образована преобразователем постоянного тока и т.п. Заметим, что импеданс нагрузки означает импеданс, когда нагрузка 118 воспринимается блоком 133 управления нагрузкой.
[0037] Заметим, что операция преобразование импеданса выражается как “управление импедансом нагрузки” в нижеприведенном описании. Блок 133 управления нагрузкой и сопротивление 132 согласования имеют одну и ту же функцию в том смысле, что они оба используются для осуществления согласования импеданса с резонансным блоком 128. Однако, после обнаружения изменения импеданса нагрузки 118, блок 133 управления нагрузкой осуществляет преобразование импеданса, и, таким образом, для стабилизации работы требуется определенная продолжительность времени. С другой стороны, поскольку сопротивление 132 согласования является постоянным сопротивлением, для стабилизации работы не требуется времени.
[0038] Импеданс в состояниях периферии зоны передачи энергии
На фиг. 2A – 2D показаны схемы, демонстрирующие примеры состояний на периферии зоны передачи энергии в системе передачи энергии. Заметим, что зона 200 связи указывает зону, в которой возможна связь посредством блока 116 связи в устройстве 100 передачи энергии. Зона 201 передачи энергии указывает зону, в которой возможна передача энергии посредством антенны 115 передачи энергии. Как показано на фиг. 2A, зона 200 связи больше зоны 201 передачи энергии, и зона 200 связи целиком содержат зону 201 передачи энергии.
[0039] На фиг. 2A показано состояние, в котором в зоне 201 передачи энергии ничего нет. Иными словами, в зоне 201 передачи энергии отсутствуют устройство 101 приема энергии и постороннее вещество 202. На Фиг. 2B показано состояние, в котором в зоне 201 передачи энергии присутствует только постороннее вещество 202. Фиг. 2C показано состояние, в котором в зоне 201 передачи энергии присутствует только устройство 101 приема энергии. Заметим, что на фиг. 2C, устройство 100 передачи энергии не передает энергию на устройство 101 приема энергии. Фиг. 2D идентичен фиг. 2C в том отношении, что в зоне 201 передачи энергии присутствует устройство 101 приема энергии, но устройство 100 передачи энергии передает энергию на устройство 101 приема энергии. Заметим, что стрелка 202 принципиально иллюстрирует, что энергия передается.
[0040] Если объект, присутствующий в зоне 201 передачи энергии, является посторонним веществом 202 (фиг. 2B), устройство 100 передачи энергии должно осуществлять управление таким образом, чтобы не осуществлять передачу энергии. С другой стороны, если объект, присутствующий в зоне 201 передачи энергии, является устройством 101 приема энергии (фиг. 2C), устройство 100 передачи энергии должно осуществлять управление таким образом, чтобы осуществлять передачу энергии.
[0041] На фиг. 3 показана схема для описания работы блока 103 обнаружения. Фиг. 3 включает в себя антенну 115 передачи энергии, антенну 125 приема энергии и постороннее вещество 202. Напряжение V1 указывает напряжение на обоих выводах антенны 115 передачи энергии. Ток I1 указывает ток, текущий в антенне 125 приема энергии, и ток I2 указывает ток, текущий в постороннем веществе 202. Z является значением импеданса антенны 125 приема энергии.
[0042] Значение напряжения V1 изменяется в соответствии с током I1 и током I2. Соответственно, напряжение V1 в состоянии, в котором постороннее вещество 202 и устройство 101 приема энергии отсутствуют в зоне 201 передачи энергии, как показано на фиг. 2A (обозначенное здесь “V_init”) указывает значение, которое отличается от напряжения V1 в состоянии, в котором постороннее вещество 202 присутствует в зоне 201 передачи энергии, как показано на фиг. 2B. Другими словами, если напряжение V_init в состоянии, в котором постороннее вещество 202 и устройство 101 приема энергии отсутствуют в зоне 201 передачи энергии, заранее сохранено, устройство 100 передачи энергии может обнаруживать постороннее вещество 202 путем регистрации напряжения V1 в состоянии на фиг. 2B и его сравнения с V_init. Также, при наличии устройства 101 приема энергии в зоне 201 передачи энергии, как показано на фиг. 2C, напряжение V1 аналогично указывает значение, которое отличается от V_init. Другими словами, устройство 100 передачи энергии может обнаруживать, что постороннее вещество 202 или устройство 101 приема энергии присутствует в зоне 201 передачи энергии, сравнивая напряжение V1 с V_init.
[0043] В этой связи, силу тока I1, который течет в антенне 125 приема энергии можно регулировать изменяя импеданс Z. Если импеданс Z установлен на Hi-Z (например, бесконечность), ток I1 будет равен нулю при наличии устройства 101 приема энергии в зоне 201 передачи энергии, как показано на фиг. 2C, напряжение V1 указывает значение, которое отличается от V_init, как описано выше. Если устройство 101 приема энергии осуществляет управление таким образом, что в этом состоянии импеданс Z устанавливается на Hi-Z, или, другими словами, таким образом, что ток I1 устанавливается на нуль, напряжение V1 будет равно V_init.
[0044] В состоянии, показанном на фиг. 2C, устройство 100 передачи энергии может обнаруживать, что постороннее вещество 202 или устройство 101 приема энергии присутствует в зоне 201 передачи энергии, на основании изменения напряжения V1. Однако устройство 100 передачи энергии не может определить обусловлено ли изменение посторонним веществом 202 или устройством 101 приема энергии.
[0045] В этой связи, если устройство 101 приема энергии регулирует импеданс Z таким образом, что он равен Hi-Z в состоянии, показанном на фиг. 2C, ток I1 будет равен нулю, и напряжение V1 будет равно V_init. Другими словами, устройство 100 передачи энергии может определять, что устройство 101 приема энергии присутствует в зоне 201 передачи энергии. С другой стороны, если устройство 101 приема энергии регулирует импеданс Z таким образом, что он равен Hi-Z, и напряжение V1 не равно V_init, устройство 100 передачи энергии может обнаруживать, что постороннее вещество 202 присутствует в зоне 201 передачи энергии.
[0046] Также, если устройство 101 приема энергии регулирует импеданс Z таким образом, что он равен Md-Z в состоянии, показанном на фиг. 2C, микроток будет течь в антенне 125 приема энергии и импедансе Z. По этой причине, устройство 101 приема энергии может обнаруживать устройство 100 передачи энергии, путем регистрации микротока. Заметим, что изменение напряжения V1 также можно выразить как изменение входного импеданса антенны 115 передачи энергии, полученного делением напряжения V1 на ток, текущий в антенне 115 передачи энергии.
[0047] На фиг. 4 показана схема, демонстрирующая пример конфигурации усилителя в режиме класса “E”, который образует блок 113 передачи энергии. Усилитель в режиме класса “E” образован MOSFET 405 с каналом N-типа, двумя дросселями и двумя конденсаторами. Ссылочная позиция 403 указывает вывод затвора, ссылочная позиция 402 указывает вывод стока, и ссылочная позиция 404 указывает вывод истока. Ссылочная позиция 401 указывает источник напряжения постоянного тока, который поступает на MOSFET 405 с каналом N-типа. Блок 113 передачи энергии подключен к антенне 115 передачи энергии через блок 114 управления резонансом. По этой причине входной импеданс антенны 115 передачи энергии выражается как изменение выходного импеданса усилителя в режиме класса “E”. Также изменение выходного импеданса усилителя в режиме класса “E” выражается как изменение выходного импеданса источника напряжения постоянного тока 401.
[0048] Другими словами, если значение выходного импеданса источника напряжения постоянного тока в состоянии, показанном на фиг. 2A, заранее сохранено, устройство 100 передачи энергии может обнаруживать постороннее вещество 202 или устройство 101 приема энергии. Значение выходного импеданса источника напряжения постоянного тока в состоянии, показанном на фиг. 2A (начальное значение импеданса), будет обозначаться ниже как “Z_init”.
[0049] Далее будут описаны три значения импеданса (Hi-Z, Md-Z и Zo), которые задаются как импеданс устройства 101 приема энергии.
[0050] Hi-Z это значение импеданса, которое используется для защиты устройства и обнаружения устройства. Когда непредвиденно большой ток течет в блоке 117 приема энергии, включающей в себя антенну 125 приема энергии, существует опасность повреждения цепи, и это очень опасно с точки зрения защиты цепи. В этой связи, ток I1, который течет в блоке 117 приема энергии, в принципе, можно задать равным нулю устанавливая импеданс устройства 101 приема энергии на Hi-Z, и опасность можно снизить. Соответственно, с целью защиты цепи устройство 101 приема энергии устанавливается на Hi-Z как можно чаще. Также, хотя устройство 100 передачи энергии может обнаруживать, что, по меньшей мере, одно из постороннего вещества 202 и устройства 101 приема энергии присутствует в зоне 201 передачи энергии, путем регистрации изменения напряжения V1, как описано выше, устройство 100 передачи энергии не может идентифицировать одно из них. Если при этом импеданс устройства 101 приема энергии установлен на Hi-Z, устройство 100 передачи энергии может осуществлять эту идентификацию.
[0051] Md-Z является значением импеданса, которое используется для обнаружения устройства. Как описано выше, устройство 101 приема энергии может обнаруживать устройство 100 передачи энергии, устанавливая импеданс на Md-Z. Также, поскольку напряжение V1 антенны 115 передачи энергии изменяется вследствие микротока, который течет в антенне 125 приема энергии, устройство 100 передачи энергии также может обнаруживать устройство 101 приема энергии, если импеданс устройства 101 приема энергии установлен на Md-Z.
[0052] Zo является значением импеданса, которое используется, когда нужно рассчитать эффективность передачи. Если выходной импеданс антенны передачи энергии (выходной импеданс Z на фиг. 3) и импеданс нагрузки не согласованы, эффективность передачи между антенной 115 передачи энергии и антенной 125 приема энергии будет снижаться вследствие отражения. По этой причине лучше не осуществлять передачу энергии в случае, когда, до начала передачи энергии на устройство 101 приема энергии, устройство 100 передачи энергии вычисляет эффективность передачи между антеннами передачи и приема энергии, и эффективность чрезмерно низка. В случае использования Hi-Z или Md-Z при вычислении эффективности передачи, эффективность передачи между антеннами передачи и приема энергии нельзя точно рассчитать, поскольку невозможно добиться согласования импеданса между антенной приема энергии и нагрузка, и существует большое отражение. Соответственно, когда нужно рассчитать эффективность передачи, импеданс устройства 101 приема энергии устанавливается на Zo, что позволяет добиться согласования с выходным импедансом Zo антенны приема энергии. Очевидно, для повышения эффективности передачи, импеданс устройства 101 приема энергии также устанавливается на Zo, когда нужно принимать энергию от устройства 100 передачи энергии.
[0053] Работа блока обнаружения устройства передачи энергии
На фиг. 5 показана временная диаграмма для описания операций блока 113 передачи энергии и блока 103 обнаружения. Горизонтальная ось указывает время. От момента времени T1 до момента времени T2, сигнал 502 обнаружения, позволяющий блоку 103 обнаружения осуществлять обнаружение Z, передается блоком 113 передачи энергии через антенну 115 передачи энергии. Также, от момента времени T2 до момента времени T3, адрес BT, который представляет собой адрес, уникально назначаемый блоку 116 связи, передается с использованием сигнала 503 адреса BT через антенну 115 передачи энергии.
[0054] Блок 103 обнаружения обнаруживает импеданс источника напряжения постоянного тока 401 от момента времени T1 до момента времени T3. Квадрат 504 указывает, что блок 103 обнаружения осуществляет обнаружение Z. Также, высота квадрата 504 принципиально иллюстрирует величину импеданса, обнаруженного в ходе обнаружения Z. Например, в случае фиг. 2A, высота квадрата 504 соответствует Z_init. Ссылочная позиция 506, которая включает в себя сигнал 502 обнаружения и сигнал 503 адреса BT, именуется “импульсом” в нижеприведенном описании.
[0055] Информация, хранящаяся в различных блоках хранения
На фиг. 7 показана схема, демонстрирующая пример флагов, хранящихся в блоке 105 хранения состояния системы.
[0056] Флаг 700 передачи энергии это флаг, который устанавливается на “1”, когда устройство 100 передачи энергии начинает передавать энергию, и устанавливается на “0”, когда передача энергии останавливается. Флаг 701 приостановки это флаг, который устанавливается на “1”, когда передача энергии останавливается, в то время как блок 104 управления осуществляет идентификацию, и устанавливается на “0” в другие моменты времени. Флаг 703 запрета это флаг, который устанавливается на “1”, когда передача энергии запрещена, и устанавливается на “0” в другие моменты времени. Флаг 704 устройства это флаг, который устанавливается на “1” в случае установления BT-соединения между блоком 116 связи устройства 100 передачи энергии и блоком 119 связи устройства 101 приема энергии, и устанавливается на “0” в противном случае.
[0057] На фиг. 8 показана схема, демонстрирующая пример информации, хранящейся в блоке 106 хранения ID в устройстве передачи энергии. После того, как блок 104 управления определяет, что изменение импеданса обусловлено устройством 101 приема энергии, адрес BT устройства 101 приема энергии сохраняется в области 800 хранения. Также, если блок 104 управления разрывает BT-соединение с устройством 101 приема энергии, адрес BT соответствующего устройства 101 приема энергии удаляется из области 800 хранения.
[0058] На фиг. 9 показана схема, демонстрирующая пример информации, хранящейся в блоке 121 хранения ID в устройстве приема энергии. Когда импульс 506, который передается блоком 113 передачи энергии через антенну 115 передачи энергии, принимается антенной 125 приема энергии, и обнаруживается адрес BT включенный в импульс 506, обнаруженный адрес BT сохраняется в области 900 хранения. Также, когда устройство 100 передачи энергии останавливает передачу энергии, или, другими словами, в случае, когда флаг приостановки или флаг запрета равен “1”, устройство 101 приема энергии удаляет адрес BT, хранящийся в области 900 хранения.
[0059] С другой стороны, адрес BT, хранящийся в области 901 хранения, представляет собой адрес BT для устройства 100 передачи энергии, который принимается блоком 119 связи устройства 101 приема энергии через блок 116 связи устройства 100 передачи энергии. Устройство 100 передачи энергии передает описанное ниже сообщение запроса, и когда устройство 101 приема энергии принимает сообщение запроса, устройство 101 приема энергии обнаруживает адрес BT устройства передачи энергии, которое является источником передачи, на основании информации в заголовке сообщения запроса. Затем обнаруженный адрес BT сохраняется в области 901 хранения. Также в случае разрыва BT-соединения между устройством 100 передачи энергии и устройством 101 приема энергии, устройство 101 приема энергии удаляет адрес BT, хранящийся в области 901 хранения.
[0060] На фиг. 15 показана схема, демонстрирующая пример информации, хранящейся в блоке 110 хранения импеданса. Значение импеданса, полученное в результате обнаружения Z, осуществляемого блоком 103 обнаружения сохраняется (перезаписанное) в Z_now в столбце 1501. Заметим, что блок 103 обнаружения копирует содержание Z_now в Z_before в столбце 1500 до перезаписи содержания. Благодаря этому, значение импеданса в предыдущем обнаружении Z сохраняется в Z_before, и можно сравнивать Z_before с Z_now, полученным в самом недавнем обнаружении Z.
[0061] Пример 1 работы системы передачи энергии (работа при наличии постороннего вещества)
На фиг. 6A и 6B показаны временные диаграммы для описания операций устройства передачи энергии. В частности, на фиг. 6A показана временная диаграмма для устройства 100 передачи энергии в случае, когда постороннее вещество 202 поступает в зону 201 передачи энергии в момент времени Ta4, и горизонтальная ось указывает время. Также, на фиг. 10A и 10B показана блок-схема операций для блока 103 обнаружения.
[0062] Сначала опишем операции устройства 100 передачи энергии в состоянии, показанном на фиг. 2A, или, другими словами, в начальном состоянии, в котором ничего нет. В состоянии, показанном на фиг. 2A, блок 105 хранения состояния системы находится в состоянии, когда флаги, показанные в строке 705, сохранены. Согласно строке 705, устройство 100 передачи энергии не передает энергию, и флаг 700 передачи энергии равен “0” (“Нет” на этапе S1000).
[0063] Соответственно, блок 103 обнаружения обновляет Z_before до Z_init. Затем первый таймер 107 сбрасывается в момент времени Ta1 (этап S1002). Когда первый таймер 107 истекает в момент времени Ta2 (“Да” на этапе S1003), блок 103 обнаружения передает импульс 506 в течение периода до момента времени Ta3 (этап S1004). Затем блок 103 обнаружения осуществляет обнаружение Z от Ta2 до Ta3 (этап S1005).
[0064] Квадрат 602 показывает, что блок 103 обнаружения осуществляет обнаружение Z от момента времени Ta2 до момента времени Ta3, и высота квадрата 602 принципиально иллюстрирует величину импеданса, обнаруженного в этот момент времени. Согласно фиг. 6A, высота квадрата 602 равен Z_init. Соответственно, блок 103 обнаружения сохраняет Z_init в Z_now (этап S1006).
[0065] В строке 1502 показана информация, хранящаяся в блоке 110 хранения импеданса в этот момент времени. В строке 1502, оба Z_before и Z_now равны Z_init (“Да” на этапе S1011). Также, согласно строке 705, флаг 700 передачи энергии равен “0” (“Нет” на этапе S1012), флаг 703 запрета равен “0” (“Нет” на этапе S1013), и флаг 704 устройства также равен “0” (“Нет” на этапе S1016). Соответственно, блок 103 обнаружения снова сбрасывает первый таймер 107 в момент времени Ta3.
[0066] Затем предполагается, что постороннее вещество 202 поступило в зону 201 передачи энергии в момент времени Ta4. Иными словами, предполагается, что в момент времени Ta4 совершается переход в состояние, показанное на фиг. 2B. Квадрат 604 показывает, что постороннее вещество 202 присутствует в зоне 201 передачи энергии от момента времени Ta4 до момента времени Ta7.
[0067] Блок 103 обнаружения осуществляет обнаружение Z от Ta5 до Ta6. Заметим, что обнаружение Z устанавливается до истечения в момент T6 с использованием первого таймера 107. Импеданс, обнаруженный в этот момент времени, указан квадратом 603. Высота квадрата 603 принципиально иллюстрирует величину импеданса, обнаруженного в этот момент времени, которая в данном случае равна Z1. Согласно фиг. 6A, высота Z1 квадрата 602 не равна Z_init.
[0068] В строке 1503 показана информация, хранящаяся в блоке 110 хранения импеданса в этот момент времени. В строке 1503, Z_now и Z_before не равны (“Нет” на этапе S1011). Соответственно, блок 103 обнаружения определяет, что постороннее вещество 202 или устройство 101 приема энергии присутствует в зоне 201 передачи энергии (этап S1018).
[0069] Флаги, хранящиеся в блоке 105 хранения состояния системы в этот момент времени, показаны в строке 705, и флаг 700 передачи энергии равен “0” (“Нет” на этапе S1019). Затем блок 103 обнаружения обновляет флаг 701 приостановки до “1” (этап S1020). Блок 105 хранения состояния системы в этот момент времени показан в строке 706. Согласно строке 706, флаг 701 приостановки равен “1”, и это означает, что блок 104 управления должен идентифицировать, обусловлено ли изменение импеданса посторонним веществом 202 или устройством 101 приема энергии. Для осуществления идентификации, блок 103 обнаружения запускает блок 104 управления, и процедура переходит к этапу S1100 (фиг. 11A).
[0070] На фиг. 11A и 11B показана блок-схема операций для управления BT в устройстве 100 передачи энергии. Состояние здесь означает состояние, показанное на фиг. 2B, и устройство 101 приема энергии отсутствует. По этой причине, BT (блок 116 связи) устройства 100 передачи энергии не запущен (“Нет” на этапе S1100). Соответственно, блок 104 управления запускает BT в качестве главного (этап S1101) и передает сообщение запроса для осуществления запроса периферийных BT-совместимых устройств по стандарту BT от блока 116 связи (этап S1102, 605).
[0071] Здесь, при наличии устройства 101 приема энергии, сообщение ответа на запрос (сигнал ответа), которое является ответом на сообщение запроса, отправляется в качестве ответа. Однако постороннее вещество 202 не отвечает на сообщение запроса, и, таким образом, блок 104 управления не принимает сообщение ответа на запрос (“Нет” на этапе S1103). Соответственно, блок 104 управления определяет, что причина изменения импеданса, обнаруженного от момента времени Ta5 до момента времени Ta6 не совместима с BT (этап S1127), и определяет, что она является посторонним веществом 202 (этап S1120). Дополнительно, флаг 701 приостановки обновляется до “0” (этап S1121), и флаг 703 запрета обновляется до “1” (этап S1122).
[0072] Затем блок 104 управления осуществляет отображение ошибки на блоке 112 отображения для извещения пользователя о присутствии постороннего вещества 202 в зоне 201 передачи энергии, о запрещении передачи энергии (этап S1123). Флаги, хранящиеся в блоке 105 хранения состояния системы в этот момент времени, показаны в строке 707. Флаг 703 запрета равен “1”, поскольку постороннее вещество 202 присутствует в зоне 201 передачи энергии. Согласно строке 707, устройство 101 приема энергии не соединено посредством BT, и флаг 704 устройства равен “0” (“Нет” на этапе S1124). По этой причине, блок 104 управления предписывает блоку 103 обнаружения действовать для проверки, что постороннее вещество 202 удалено из зоны 201 передачи энергии (этап S1126), и обработка возвращается к этапу S1000 (этап S1129). Здесь, в момент времени Ta7, предполагается, что после просмотра отображения ошибки, пользователь, например, удаляет постороннее вещество 202 из зоны 201 передачи энергии.
[0073] От момента времени Ta8 до момента времени Ta9, блок 103 обнаружения передает импульс и осуществляет обнаружение Z. Поскольку постороннее вещество 202 удалено из зоны 201 передачи энергии, состояние от Ta8 до Ta9 является состояние, показанное на фиг. 2A, и блок 110 хранения импеданса показан в строке 1502. Согласно строке 707, флаг 703 запрета равен “1” (“Да” на этапе S1013), и, таким образом, блок 103 обнаружения определяет, что постороннее вещество 202 удалено (этап S1017), флаг 703 запрета обновляется до “0”, после чего отображение ошибки отключается (этап S1015). Затем блок 103 обнаружения возвращается к обработке этапа S1000.
[0074] Как описано выше, выходной импеданс источника напряжения постоянного тока для усилителя в режиме класса “E”, когда импульс передается в состоянии, в котором постороннее вещество 202 и устройство приема энергии отсутствуют в зоне 201 передачи энергии, сохраняется блоком 103 обнаружения как Z_init. Также, конфигурация такова, что импульс периодически передается через антенну передачи энергии, и выходной импеданс в этот момент времени сравнивается с хранящимся Z_init. Соответственно, путем регистрации изменения импеданса, устройство 100 передачи энергии может распознавать, что, по меньшей мере, одно из постороннего вещества 202 и устройства 101 приема энергии присутствует в зоне 201 передачи энергии. Дополнительно, распознавая отсутствие ответа для сообщения запроса, устройство 100 передачи энергии может распознавать присутствие постороннего вещества 202.
[0075] Заметим, что в вышеприведенном описании, блок 103 обнаружения выполнен с возможностью обнаружения выходного импеданса источника 401 напряжения постоянного тока, но может быть выполнен с возможностью обнаружения другой физической величины, которая изменяется вследствие постороннего вещества 202, будучи электромагнитно связан с антенной 115 передачи энергии. Например, возможна конфигурация, в которой обнаруживается напряжение V1 антенны 115 передачи энергии. Также, устройство 100 передачи энергии предписывает блоку 116 связи действовать как главный BT и передает сообщение запроса, обозначенное 605. Таким образом, можно быстро идентифицировать постороннее вещество, которое не отвечает на сообщение запроса. Сообщение запроса может быть другим пакетом, для которого ожидается ответ от устройства 101 приема энергии. Также блок 116 связи может быть выполнен с возможностью использования стандарта связи, отличного от BT (например, беспроводной LAN).
[0076] Пример 2 работы системы передачи энергии (операция при наличии устройства приема энергии)
На фиг. 6B показана временная диаграмма для устройства 100 передачи энергии и устройства 101 приема энергии в случае, когда устройство 101 приема энергии присутствует в зоне 201 передачи энергии. Заметим, что горизонтальная ось указывает время, и вертикальная ось принципиально иллюстрирует импеданс устройства 101 приема энергии, воспринимаемый антенной 115 передачи энергии.
[0077] Также, Hi-Z, Md-Z и Zo (Hi-Z>Md-Z>Zo) указаны как три заранее определенные значения импеданса. Управление для установления импеданса на соответствующие значения осуществляется устройством 101 приема энергии вышеописанным образом. Квадрат 610 указывает, что импеданс устройства 101 приема энергии равен Hi-Z от момента времени Tb1 до момента времени Tb2. Квадрат 611 указывает, что импеданс устройства 101 приема энергии равен Md-Z от момента времени Tb2 до момента времени Tb3. Квадрат 615 указывает, что импеданс устройства 101 приема энергии равен Zo от момента времени Tb5 до момента времени Tb6.
[0078] Также, квадрат 612 показывает, что блок 103 обнаружения передает импульс 506 и осуществляет обнаружение Z от момента времени Tb2 до момента времени Tb3, и что результат обнаружения Z указан пунктирной линией 624. Как явствует из сравнения пунктирной линии 624 и Z_init, импеданс, обнаруженный блоком 103 обнаружения от момента времени Tb2 до момента времени Tb3, не равен Z_init.
[0079] На фиг. 13A и 13B показана блок-схема операций, демонстрирующая операции для управления BT в устройстве 101 приема энергии. Если оставшаяся энергия батареи меньше или равна заранее определенному пороговому значению (например, 95%) (“Да” на этапе S1300), устройство 101 приема энергии запускает четвертый таймер 122 в момент времени Tb1 (этап S1302), и импеданс устройства 101 приема энергии устанавливается на Hi-Z (этап S1303).
[0080] Когда четвертый таймер 122 истекает в момент времени Tb2 (этап S1304), устройство 101 приема энергии запускает пятый таймер 123 (этап S1305) и соединяет блок 126 переключения с резонансным блоком 128 (этап S1306). Затем устройство 101 приема энергии соединяет блок 130 переключения нагрузки с промежуточным сопротивлением 131 и импеданс устройства 101 приема энергии устанавливается на Md-Z (этап S1307).
[0081] Здесь будут описаны функции четвертого таймера 122 и пятого таймера 123. Четвертый таймер 122 задает продолжительность времени, в течение которого импеданс устройства 101 приема энергии установлен на Hi-Z, и пятый таймер 123 задает продолжительность времени, в течение которого он установлен на Md-Z. Другими словами, если устройство 101 приема энергии не принимает импульс 506 от устройства 100 передачи энергии (“Нет” на описанном ниже этапе S1308), устройство 101 приема энергии повторно изменяет состояние на Hi-Z и Md-Z.
[0082] Блок 103 обнаружения обнаруживает импеданс, который отличается от Z_init от момента времени Tb2 до момента времени Tb3. Вследствие этого, блок 103 обнаружения распознает, что постороннее вещество 202 или устройство 101 приема энергии присутствует в зоне 201 передачи энергии.
[0083] Здесь, поскольку устройство 101 приема энергии устанавливает импеданс на Md-Z, микроток течет в промежуточном сопротивлении 131 вследствие импульса 506 (т.е. сигнала 502 обнаружения и сигнала 503 адреса BT), передаваемого блоком 113 передачи энергии от Tb2 до Tb3. В этой связи, устройство 101 приема энергии может получать адрес BT устройства 100 передачи энергии, который включен в сигнал 503 адреса BT, путем регистрации напряжения, генерируемого на обоих выводах промежуточного сопротивления 131. В этот момент времени, устройство 101 приема энергии может распознавать свое присутствие в зоне 201 передачи энергии устройства 100 передачи энергии.
[0084] Если устройство 101 приема энергии принимает импульс 506 (сигнал управления) (“Да” на этапе S1308), импеданс устройства 101 приема энергии сразу же устанавливается на Hi-Z в момент времени Tb3 (этап S1310), независимо от того, истек ли пятый таймер 123, с целью вышеупомянутой защиты цепи.
[0085] Затем устройство 101 приема энергии сохраняет (обновляет) адрес BT устройства 100 передачи энергии, полученный на этапе S1311, в области 900 хранения блока 121 хранения ID (этап S1312). Здесь, адрес BT (идентификатор) устройства 100 передачи энергии, полученный из импульса 506 равен “aa aa aa aa aa aa”. Затем устройство 101 приема энергии запускает BT (блок 119 связи) (этап S1313).
[0086] Между тем, после обнаружения, что импеданс изменился в момент времени Tb3, устройство 100 передачи энергии запускает BT (блок 116 связи) (этап S1101) и передает сообщение запроса (этап S1102, 605).
[0087] Приняв сообщение запроса (“Да” на этапе S1314), устройство 101 приема энергии получает адрес BT устройства источника передачи, хранящийся в заголовочном участок сообщения запроса и сохраняет (обновляет) его в области 901 хранения блока 121 хранения ID. Затем устройство 101 приема энергии сравнивает два адреса BT, хранящиеся в областях 900 и 901 хранения блока 121 хранения ID (этап S1316).
[0088] На фиг. 9 показано два адреса BT, хранящиеся в блоке 121 хранения ID в этот момент времени. Согласно фиг. 9, адрес BT в области 900 хранения и адрес BT в области 901 хранения совпадают с адресом BT устройства 100 передачи энергии (“Да” на этапе S1317). В этой связи, на этапе S1318, устройство 101 приема энергии определяет, завершено ли соединение с устройством, соответствующему адресу BT, хранящемуся в блоке 121 хранения ID. В данном случае, BT-соединение еще не осуществлено (“Нет” на этапе S1318). По этой причине, устройство 101 приема энергии передает сообщение ответа на запрос (сигнал ответа) (этап S1319, 613) в ответ на сообщение запроса, передаваемое устройством, соответствующим адресу BT, хранящемуся в блоке 121 хранения ID (в этом случае, устройство 100 передачи энергии) (сигнал ответа средство передачи). Другими словами, устройство приема энергии распознает свое присутствие в зоне 201 передачи энергии и затем передает сообщение ответа на запрос (сигнал ответа).
[0089] Приняв сообщение ответа на запрос, обозначенное 613 (“Да” на этапе S1103), устройство 100 передачи энергии определяет, является ли источник передачи сообщения ответа на запрос устройством, которое не соединено посредством BT. В данном случае, поскольку устройство 100 передачи энергии и устройство 101 приема энергии не соединены посредством BT (“Да” на этапе S1104), устройство 100 передачи энергии осуществляет обработку аутентификации для устройства 101 приема энергии.
[0090] В этой связи, при аутентификации BT используется пин-код, и аутентификация проходит успешно, если пин-код, используемый устройством 101 приема энергии, идентичен используемому в устройстве 100 передачи энергии. В этой связи, устройство 100 передачи энергии использует, например, свой собственный адрес BT в качестве пин-кода (этап S1105). Также, устройство 101 приема энергии использует в качестве пин-кода адрес BT устройства 100 передачи энергии, полученный из импульса 506 на этапе S1311 (этап S1320). Поскольку пин-коды сделаны общими для устройства 100 передачи энергии и устройства 101 приема энергии, аутентификация проходит успешно, и может совместно использоваться один и тот же ключ шифрования.
[0091] Устройство 100 передачи энергии генерирует ключ инициализации на основании процедуры аутентификация BT (этап S1106) и передает случайное число, генерируемое в устройстве 100 передачи энергии на устройство 101 приема энергии (не показан). Приняв случайное число, устройство 101 приема энергии генерирует ключ инициализации на основании пин-кода и случайного числа.
[0092] Затем устройство 100 передачи энергии передает вновь сгенерированное случайное число на устройство приема энергии (этап S1107). Приняв случайное число на этапе S1107, устройство 101 приема энергии генерирует сообщение SRES (ответ на сигнал) на основании случайного числа, адреса BT устройства 100 передачи энергии и ключа инициализации и передает сообщение SRES на устройство 100 передачи энергии.
[0093] Приняв сообщение SRES (этап S1108), устройство 100 передачи энергии сравнивает сообщение SRES с генерируемым им самим сообщением SRES (этап S1109). Как описано выше, пин-код совместно используется устройством 100 передачи энергии и устройством 101 приема энергии, и, таким образом, сообщения SRES совпадают (“Да” на этапе S1109), и аутентификация проходит успешно (этап S1110, “Да” на этапе S1321).
[0094] Затем устройство 101 приема энергии передает сообщение SDP (протокол обнаружения услуг)_inquires (этап S1322). Приняв сообщение SDP_inquires (этап S1112), устройство 100 передачи энергии передает сообщение SDP_response, включающее в себя “беспроводную зарядку”, которая представляет собой информацию, касающуюся услуги, которая может предоставляться (этап S1113). Приняв сообщение SDP_response (этап S1323), устройство 101 приема энергии проверяет, совпадают ли желаемая услуга и услуга, полученная на этапе S1323 (этап S1324). В данном случае, устройство 101 приема энергии запросило услугу “беспроводной зарядки” для зарядки батареи, которая является нагрузкой 118, и, таким образом, принимается решение, что услуги совпадают (“Да” на этапе S1325).
[0095] Поскольку BT-соединение с устройством 101 приема энергии было успешным, блок 104 управления обновляет флаг 704 устройства до “1” (этап S1116). Затем блок 104 управления предписывает устройству 101 приема энергии устанавливать импеданс на Hi-Z для определения, присутствует ли постороннее вещество 202 в зоне 201 передачи энергии (этап S1117). Затем блок 104 управления предписывает блоку 103 обнаружения действовать, осуществляя обработку вышеописанных этапов S1001, S1004, S1005, S1030 и S1006, и сравнивает результат с содержанием блока 110 хранения импеданса (этап S1118).
[0096] В данном случае, предполагается, что от момента времени Tb4 до момента времени Tb5, блок 113 передачи энергии передал импульс 506, переданный на этапе S1004. В данном случае, состояние показано на фиг. 2C, и постороннее вещество 202 отсутствует в зоне 201 передачи энергии. По этой причине, импеданс, обнаруженный блоком 103 обнаружения от момента времени Ta4 до момента времени Ta5, равен Z_init (“Да” на этапе S1119). По этой причине, блок 104 управления определяет, что изменение импеданса обусловлено устройством 101 приема энергии, обнаруженного от момента времени Tb2 до момента времени Tb3 (этап S1114) и обновляет адрес BT в области 800 хранения блока 106 хранения ID до адреса BT устройства 101 приема энергии (этап S1115). Заметим, что адрес BT устройства 101 приема энергии можно получить из заголовка и т.п. сообщения SDP_response, принятого на этапе S1112. При этом адрес BT (идентификатор) устройства 101 приема энергии равен “bb bb bb bb bb bb”.
[0097] На фиг. 12A и 12B показана блок-схема операций для управления передачей энергии в устройстве 100 передачи энергии. На Фиг. 14A и 14B показана блок-схема операций для управления приемом энергии в устройстве 101 приема энергии.
[0098] Сначала, в момент времени Tb4, блок 104 управления передает инструкцию для изменения импеданса на Zo (инструкцию Zo) на устройство 101 приема энергии для вычисления эффективности передачи между антенной 115 передачи энергии и антенной 125 приема энергии (этап S1200, 614). Приняв инструкцию Zo (“Да” на этапе S1400), устройство 101 приема энергии устанавливает импеданс устройства 101 приема энергии на Zo (этап S1401) и передает ответ на инструкцию Zo, указывающий, что импеданс установлен на Zo, на устройство 100 передачи энергии (этап S1402).
[0099] Приняв ответ на инструкцию Zo (этап S1201), блок 104 управления передает импульс 506 от антенны 115 передачи энергии (этап S1202). Приняв импульс (“Да” на этапе S1403), устройство 101 приема энергии передает ответ на прием энергии, указывающий значение напряжения или значение энергии на устройство 100 передачи энергии (этап S1431).
[0100] Если ответ на прием энергии, принятый на этапе S1203, не равен нулю (“Нет” на этапе S1230), блок 104 управления получает эффективность передачи (этап S1204), предписывает блоку 114 управления резонансом действовать (этап S1205), и управляет блоком 114 управления резонансом таким образом, чтобы эффективность передачи достигала пика. Если эффективность передачи достигает пика (“Да” на этапе S1205), эффективность передачи и заранее сохраненное пороговое значение сравниваются (этап S1207). Если эффективность передачи больше или равна пороговому значению (“Да” на этапе S1208), блок 104 управления передает извещение об эффективности (эффективность высока) на устройство 101 приема энергии (этап S1231) и передает инструкцию Hi-Z (этап S1232, 616). В этом случае, после этого передача импульса для вычисления эффективности (этап S1202) не осуществляется. Приняв извещение об эффективности (“Да” на этапе S1405), устройство 101 приема энергии устанавливает импеданс на Hi-Z (этап S1432), и передает ответ на инструкцию Hi-Z, указывающий, что инструкция Hi-Z принята, и импеданс установлен на Hi-Z, на устройство 100 передачи энергии. Заметим, что если эффективность меньше порогового значения (“Нет” на этапе S1208), достаточно, чтобы управление осуществлялось таким образом, что извещение об эффективности (эффективность низка) передается (этап S1220), и передача энергии не осуществляется.
[0101] Затем блок 104 управления направляет запрос на устройство 101 приема энергии для приема параметров приема энергии, которые указывают величину энергии, запрашиваемую устройством 101 приема энергии, пиковое напряжение, допустимое для блока 117 приема энергии и пр. (этап S1209), и устройство 101 приема энергии отвечает на запрос (этап S1408). Блок 104 управления сравнивает параметры приема энергии, полученные на этапе S1210, и свои собственные возможности передачи энергии и определяет, возможна ли передача энергии (этап S1211). Затем, если передача энергии возможна (“Да” на этапе S1212), блок 104 управления предписывает блоку 103 обнаружения действовать, осуществляя обработку вышеописанных этапов S1001, S1004, S1005, S1030, S1006 и S1011, и сравнивает результат с содержанием блока 110 хранения импеданса (этап S1233).
[0102] При этом предполагается, что от момента времени Tb6 до момента времени Tb7, блок 113 передачи энергии передал импульс 506, переданный на этапе S1004. Поскольку постороннее вещество 202 отсутствует в зоне 201 передачи энергии в состоянии, показанном на фиг. 2C, импеданс, обнаруженный блоком 103 обнаружения от момента времени Ta6 до момента времени Ta7, равен Z_init (“Да” на этапе S1234). Вследствие этого, блок 104 управления передает извещение о разрешении передачи энергии на устройство 101 приема энергии (этап S1213), и, приняв ответ на разрешение передачи энергии (этап S1214), блок 104 управления предписывает устройству 101 приема энергии подключаться к зарядной цепи (этап S1215).
[0103] Заметим, что блок 103 обнаружения действует от момента времени Ta6 до момента времени Ta7, поскольку существует возможность, что постороннее вещество 202 поступает в зону 201 передачи энергии в течение периода от Tb5 до Tb6. Таким образом, до начала передачи энергии, блок 104 управления всегда предписывает блоку 103 обнаружения действовать и проверяет отсутствие постороннего вещества 202.
[0104] Приняв извещение о разрешении передачи энергии (“Да” на этапе S1409), устройство 101 приема энергии передает ответ на разрешение передачи энергии (этап S1410). Затем устройство 101 приема энергии принимает инструкцию подключения к зарядной цепи (этап S1411) и соединяет блок 130 переключения нагрузки с блоком 133 управления нагрузкой (этап S1412). Кроме того, устройство 101 приема энергии запускает блок 133 управления нагрузкой (этап S1413) и передает ответ подключения к зарядной цепи (этап S1414).
[0105] Приняв ответ подключения к зарядной цепи (этап S1216), блок 104 управления осуществляет извещение о начале передачи энергии и начинает передавать энергию в момент времени Tb7 (этап S1217, 617). Затем блок 104 управления обновляет флаг 701 приостановки до “0” (этап S1218) и обновляет флаг 700 передачи энергии до “1” (этап S1219).
[0106] Устройство 101 приема энергии начинает управление импедансом нагрузки (этап S1415), начинает прием энергии, приняв извещение о начале передачи энергии (этап S1416), и отображает тот факт, что зарядка осуществляется на блоке 124 отображения. В этот момент времени, состояние показано на фиг. 2D, и блок 105 хранения состояния системы находится в состоянии, когда флаги, показанные в строке 708, сохранены.
[0107] От момента времени Tb7 и далее, импеданс устройства 101 приема энергии имеет постоянное значение Zo. Поскольку блок 113 передачи энергии использует усилитель в режиме класса “E”, импеданс источника напряжения постоянного тока, обнаруженный блоком 103 обнаружения также является постоянным. Здесь, Z_tx является импедансом источника напряжения постоянного тока, когда устройство 100 передачи энергии передает энергию от Tb7 и далее, и квадрат 618 указывает Z_tx.
[0108] Начав передачу энергии (“Да” на этапе S1000), устройство 100 передачи энергии сбрасывает второй таймер, который истекает за микропериод (например, несколько миллисекунд), который короче, чем у первого таймера. Затем, по истечении второго таймера, устройство передачи энергии осуществляет обнаружение Z.
[0109] Здесь, если постороннее вещество 202 поступает в зону 201 передачи энергии в ходе передачи энергии, результатом обнаружения Z будет значение, которое отличается от Z_tx вследствие влияния постороннего вещества 202. В этот момент времени, блок 104 управления распознает, что постороннее вещество 202 или новое устройство приема энергии, которое не показано на фиг. 2D поступило в зону 201 передачи энергии, или что устройство 101 приема энергии покинуло зону 201 передачи энергии, и импеданс изменился. Устройство 100 передачи энергии осуществляет следующую обработку и определяет, обусловлено ли изменение импеданса посторонним веществом 202, новым устройством приема энергии или перемещением устройства 101 приема энергии.
[0110] Поскольку флаг передачи энергии равен “1” (“Да” на этапе S1019), устройство 100 передачи энергии передает извещение о приостановке передачи энергии на устройство 101 приема энергии указывающий, что передачу энергии нужно прервать, пока не закончится определение (этап S1025). Затем флаг передачи энергии обновляется до “0” (этап S1027), и передача энергии останавливается (этап S1026). Затем устройство 100 передачи энергии передает инструкцию Hi-Z на устройство 101 приема энергии (этап S1028).
[0111] Приняв извещение о приостановке передачи энергии (“Да” на этапе S1429), устройство 100 приема энергии передает ответ на извещение о приостановке передачи энергии. В этот момент времени, устройство 101 приема энергии распознает, что передача энергии приостановлено, поскольку устройство 100 передачи энергии осуществляет определение, или что устройство 101 приема энергии само покинуло зону 201 передачи энергии. Также, когда передача энергии останавливается (этап S1430), устройство 101 приема энергии больше не распознает, находится ли оно в зоне 201 передачи энергии, и, таким образом, адрес BT, хранящийся в области 900 хранения удаляется (этап S1422). Также, приняв извещение о приостановке передачи энергии, устройство 101 приема энергии не отключает отображение зарядки (этап S1421), невзирая на, что передача энергии остановлена. Затем, в случае приема инструкции Hi-Z, импеданс устанавливается на Hi-Z (этап S1423), и затем передается ответ на инструкцию Hi-Z.
[0112] Приняв ответ на инструкцию Hi-Z (“Да” на этапе S1029), устройство 100 передачи энергии обновляет флаг 701 приостановки до “1” (этап S1020). Затем устройство 100 передачи энергии возвращается к обработке этапа S1100 для осуществления идентификации (этап S1023). В этот момент времени, блок 105 хранения состояния системы находится в состоянии, когда флаги, показанные в строке 709, сохранены.
[0113] Поскольку импеданс устройства 101 приема энергии в этот момент времени равен Hi-Z, устройство передачи энергии не влияет на обнаружение Z, осуществляемое устройством 100 передачи энергии. Соответственно, устройство 100 передачи энергии обнаруживает постороннее вещество 202 с использованием обработки, которая была описана выше со ссылкой на фиг. 2A (этап S1120). Поскольку флаг 704 устройства равен “1” (“Да” на этапе S1126), устройство 100 передачи энергии передает извещение об ошибке на устройство 101 приема энергии (этап S1126). Блок 105 хранения состояния системы в этот момент времени находится в состоянии, когда флаги, показанные в строке 710, сохраняются. Приняв извещение об ошибке (“Да” на этапе S1424), устройство 101 приема энергии отключает отображение зарядки (этап S1425) и осуществляет отображение ошибки на блоке 124 отображения (этап S1426).
[0114] Устройство 100 передачи энергии предписывает блоку обнаружения действовать на этапе S1126 и переходит к обработке этапа S1000 (этапы S1126, S1129), и, таким образом, как описано выше со ссылкой на фиг. 2A, можно обнаруживать, что постороннее вещество 202 удалено.
[0115] Когда постороннее вещество 202 удалено, флаг 704 устройства равен “1” (“Да” на этапе S1016), и, таким образом, устройство 100 передачи энергии передает извещение о компенсации ошибки на устройство приема энергии (этап S1021). Приняв извещение об ошибке (“Да” на этапе S1427), устройство 101 приема энергии переходит к этапу S1400 и ожидает инструкцию Zo. После этого устройство 100 передачи энергии начинает передавать энергию с использованием обработки, которая была описана со ссылкой на фиг. 6B.
[0116] Также, если новое устройство приема энергии поступило в зону 201 передачи энергии в ходе передачи энергии, результат обнаружения Z будет указывать значение, которое отличается от Z_tx, вследствие влияния нового устройства приема энергии. Вследствие этого, устройство 100 передачи энергии может обнаруживать новое устройство приема энергии с использованием обработки, которая была описана выше со ссылкой на фиг. 2B. Затем, на этапе S1200, инструкция Zo дается для всех адресов BT, хранящихся в области 800 хранения в этот момент времени. Другими словами, инструкция Zo дается для адреса BT устройства 101 приема энергии и адреса BT нового устройства приема энергии. Затем устройство 100 передачи энергии начинает передавать энергию на устройство 101 приема энергии и новое устройство приема энергии. На этапе S1421, достаточно, чтобы устройство 101 приема энергии не отключало отображение зарядки, пока устройство 100 передачи энергии осуществляет определение, или, другими словами, когда существует возможность продолжать прием энергии, невзирая на, что передача энергии остановлена. Соответственно, если новые устройства приема энергии часто входят в зону 201 передачи энергии, отображение зарядки не отключается каждый раз, и пользователю устройства 101 приема энергии не нужно беспокоиться о том, что зарядка не осуществляется.
[0117] Заметим, что если в зоне 201 передачи энергии присутствует, например, другое устройство BT, которое может отвечать на сообщение запроса, но не имеет совместно используемой информации, на этапе S1109 производится отрицательный определение, и устройство 100 передачи энергии определяет, что другое устройство BT является посторонним веществом (этап S1120).
[0118] Как описано выше, в системе беспроводной передачи энергии согласно первому варианту осуществления, выходной импеданс источника напряжения постоянного тока 401 в состоянии, в котором постороннее вещество 202 и устройство 101 приема энергии отсутствуют в зоне 201 передачи энергии (начальное состояние), сохраняется как Z_init блоком 103 обнаружения. Затем, периодически передавая импульс через антенну 115 передачи энергии и сравнивая выходной импеданс в этот момент времени и Z_init, можно реализовать обнаружение постороннего вещества без добавления особой цепи.
[0119] Кроме того, устройство 101 приема энергии имеет функцию управления импедансом. Благодаря тому, что устройство 101 приема энергии управляет импедансом в соответствии с инструкциями от устройства 100 передачи энергии, устройство 100 передачи энергии может идентифицировать, какое из постороннего вещества 202 и устройства 101 приема энергии присутствует в зоне 201 передачи энергии. Кроме того, устройство 100 передачи энергии может передавать энергию на устройство 101 приема энергии с более предпочтительной эффективностью передачи.
[0120] Также, если Z_init и Z_before не равны на этапе S1234 (“Нет” на этапе S1234), устройство передачи энергии определяет присутствие постороннего вещества (этапы S1235, S1120) и запрещает передачу энергии. Благодаря этому, передача энергии может быть запрещена, когда постороннее вещество поступило в зону передачи энергии в течение периода от момента времени Tb5 до момента времени Tb6.
[0121] Также, если сообщения SRES не совпадают, устройство передачи энергии определяет присутствие постороннего вещества и запрещает передачу энергии. Это соответствует случаю, когда устройство BT, которое не может принимать услугу беспроводной зарядки, входит в зону передачи энергии, и осуществляется обработка аутентификации BT. В этом случае, устройство передачи энергии может рассматривать устройство BT как идентичное постороннему веществу и не осуществляет передачу энергии на него.
[0122] Также, если устройство приема энергии не передает ожидаемый ответ, связь посредством BT можно останавливать. Случай, когда ответ на инструкцию Zo не принимается от устройства приема энергии, и случай, когда ответ на параметр приема энергии не принимается, являются примерами случаев, когда ожидаемый ответ не передается.
[0123] Также, другим примером этого является случай, когда устройство передачи энергии выполнено с возможностью передачи извещения об определении возможности передачи энергии на этапе S1212 независимо от результата определения, и устройство приема энергии выполнено с возможностью передачи ответа определения возможности передачи энергии в ответ на извещение, но устройство передачи энергии не принимает ответ определения возможности передачи энергии. Альтернативно, другими примерами этого являются случай, когда устройство передачи энергии не принимает ответ на разрешение передачи энергии, и случай, когда устройство передачи энергии не принимает ответ подключения к зарядной цепи.
[0124] Кроме того, другие примеры являются случаем, когда устройство приема энергии выполнено с возможностью передачи ответа на извещение о начале передачи энергии в ответ на извещение о начале передачи энергии, но ответ на начало передачи энергии не принимается, или ответ на инструкцию Hi-Z не принимается. Также, другим примером является случай, когда устройство приема энергии выполнено с возможностью передачи ответа на извещение об ошибке в ответ на извещение об ошибке, но устройство передачи энергии не принимает ответ на извещение об ошибке. Также, другим примером является случай, когда устройство приема энергии выполнено с возможностью передачи ответа на извещение о компенсации ошибки в ответ на извещение о компенсации ошибки, но устройство передачи энергии не принимает ответ на извещение о компенсации ошибки. Также, другим примером является случай, когда устройство приема энергии выполнено с возможностью передачи ответа на извещение об эффективности в ответ на извещение об эффективности, но ответ на извещение об эффективности не принимается.
[0125] В вышеозначенных случаях, допустимо, что устройство приема энергии покидает зону связи по той или иной причине, что устройство приема энергии дает сбой, что блок связи устройства передачи энергии дает сбой и т.п. Также устройство передачи энергии может быть выполнено с возможностью останавливать или запрещать передачу энергии также в случае, когда связь BT разрывается вследствие ухудшения среды связи и т.п. Благодаря этому, передача энергии может останавливаться или запрещаться в случае, когда обмен сигналами управления больше не осуществляется.
[0126] Также, если устройство передачи энергии не выполняет следующую ожидаемую обработку, устройство приема энергии может отключаться от BT, удалять адрес BT из области 901 хранения, и затем останавливать BT. Случай, когда устройство приема энергии не принимает определение возможности передачи энергии, случай, когда не принимается инструкция Hi-Z, случай, когда не принимается извещение о разрешении передачи энергии, и случай, когда не принимается инструкция подключения к зарядной цепи, являются примерами случаев, когда устройство передачи энергии не осуществляет ожидаемую обработку.
[0127] Также, другим примером является случай, когда устройство приема энергии выполнено с возможностью обнаружения величины приема энергии, принятой от устройства передачи энергии, и извещение о приостановке передачи энергии не принимается, несмотря на то, что величина приема энергии равна 0. Также, другим примером является случай, когда устройство приема энергии не принимает импульс на этапе S1403 (“Нет” на этапе S1403). Заметим, что если импульс не принимается на этапе S1403 (“Нет” на этапе S1403), до разъединения BT, устройство приема энергии может передавать извещение о невозможности приема энергии на устройство передачи энергии, указывающее, что импульс не принят.
[0128] Случай, когда устройство приема энергии, присутствующее в зоне передачи энергии, удаляется или перемещается из зоны передачи энергии, и случай отказа в устройстве приема энергии или устройстве передачи энергии являются примерами, которые также соответствуют вышеописанным случаям. Таким образом, можно обрабатывать случаи, когда в устройстве передачи энергии и устройство приема энергии возникают непредвиденные обстоятельства.
[0129] Также, благодаря конфигурации, где второй таймер установлен на микропериод, можно сразу же обнаруживать поступление постороннего вещества 202 в зону 201 передачи энергии и можно быстро останавливать передачу энергии. Также, устанавливая первый таймер на более длинный период времени, чем второй таймер, можно добиваться низкого энергопотребления в устройстве передачи энергии в состоянии, в котором передача энергии не осуществляется, или где BT не запущен.
[0130] Также, если ответ на сообщение запроса принят, устройство передачи энергии проверяет, присутствует ли постороннее вещество в зоне передачи энергии, устанавливая импеданс устройства приема энергии на Hi-Z. Благодаря этому, извещение об ошибке может передаваться на устройство приема энергии, и извещение о том, что передача энергии запрещена, может осуществляться в случае, когда присутствует постороннее вещество.
[0131] Также, устройство передачи энергии осуществляет обнаружение Z до вычисления эффективности. Благодаря этому, постороннее вещество можно обнаруживать до осуществления вычисления эффективности, и вычисление эффективности может осуществляться с точностью. Также, обнаружение Z осуществляется до начала передачи энергии, и, таким образом, если постороннее вещество поступило в зону передачи энергии в течение периода от момента времени Tb5 до момента времени Tb6, устройство передачи энергии может распознавать поступление постороннего вещества до начала передачи энергии.
[0132] Кроме того, даже когда извещение о приостановке передачи энергии принимается на этапе S1429, и прием энергии прерывается, устройство приема энергии не отключает отображение зарядки, пока не будет принято извещение об ошибке. Благодаря этому, отображение зарядки может оставаться включенным в случае, когда существует возможность, что прием энергии может продолжаться, даже если прием энергии прервался. Другими словами, в случае, когда несколько устройств приема энергии входят в зону 201 передачи энергии одно за другим, отображение зарядки не отключается каждый раз.
[0133] Также, распознав свое присутствие в зоне 201 передачи энергии, устройство приема энергии осуществляет обработку аутентификации BT. Благодаря этому, после успешной аутентификации BT для устройства приема энергии, устройство передачи энергии может распознавать, что устройство приема энергии присутствует в зоне 201 передачи энергии. Также, поскольку устройство приема энергии сначала распознает свое присутствие в зоне передачи энергии и затем передает сообщение ответа на запрос, устройство передачи энергии может распознавать, что устройство приема энергии, передавшее сообщение ответа на запрос, присутствует в зоне передачи энергии. Соответственно, устройство передачи энергии может осуществлять управление связью с устройством приема энергии, которое присутствует в зоне 201 передачи энергии.
[0134] Также, устройство передачи энергии осуществляет извещение своего собственного адреса BT через антенну передачи энергии, используемую в зоне 201 передачи энергии, которая меньше, чем зона 200 связи. Затем устройство приема энергии осуществляет обработку аутентификации только с устройством передачи энергии, имеющим адрес BT, полученный с использованием антенны приема энергии. Благодаря этому, устройство приема энергии может избежать проблемы соединения через BT с другим, соседним устройством передачи энергии.
[0135] Также, если следующая ожидаемая инструкция или извещение не принимается от устройства передачи энергии, устройство приема энергии останавливает блок связи. Благодаря этому, можно предотвратить отказ системы. Также, если ожидаемый ответ не принимается от устройства приема энергии, устройство передачи энергии также останавливает блок связи и останавливает последовательность передачи энергии. Благодаря этому, можно предотвратить отказ системы.
[0136] Также, устройство передачи энергии запускает блок связи после обнаружения изменения импеданса. Благодаря этому, энергия не подается без необходимости на блок связи, и можно реализовать низкое энергопотребление.
[0137] Также, если оставшаяся энергия батареи больше порогового значения (“Нет” на этапе S1300, “Да” на этапе S1418), устройство приема энергии устанавливает импеданс на Hi-Z (этапы S1301, S1431). Благодаря этому, устройство приема энергии, которое не нуждается в зарядке, не будет влиять на обнаружение Z, выполняемое устройством 100 передачи энергии. Также, если оставшаяся энергия батареи больше порогового значения (“Нет” на этапе S1300, “Да” на этапе S1418), устройство приема энергии не подключается к устройству передачи энергии посредством BT, и можно добиться энергосбережения в устройстве приема энергии и устройстве передачи энергии.
[0138] Измененный пример 1
Ниже будут описаны другие конфигурации, и аналогичные результаты также можно получить с любой из этих конфигураций или их комбинации.
[0139] Высоким сопротивлением может быть конденсатор, указывающий высокий импеданс по частоте высокочастотного напряжения, генерируемого в антенне приема энергии. Допустимо также не включать высокое сопротивление 127. В этом случае, антенна приема энергии находится в открытом состоянии, и в антенне приема энергии не течет ток. Другими словами, импеданс антенны приема энергии можно задать равным чрезвычайно высокому значению. Также, Z_init не обязано иметь фиксированное значение и может иметь значение, полученное заданием границы ошибки равным фиксированному значению. Например, аналогичные результаты также можно получить со значением 100 Ом ± 3%.
[0140] Также, импульс был описан как имеющий конфигурацию, где сигнал 502 обнаружения и сигнал 503 адреса BT объединяются, но можно использовать только сигнал 503 адреса BT. Также, устройство передачи энергии выполнено с возможностью передачи импульса с перерывами, но аналогичные результаты можно получить с использованием конфигурации непрерывной передачи.
[0141] Также, после передачи извещения о компенсации ошибки (этап S1021), устройство передачи энергии может передавать инструкцию Md-Z для установления импеданса на Md-Z на устройство приема энергии, и устройство приема энергии может устанавливать импеданс на Md-Z. Благодаря этому, устройство приема энергии может распознавать присутствует ли оно в зоне 201 передачи энергии, и, таким образом, можно предотвратить отказ системы.
[0142] Также, в вышеприведенном описании, устройство передачи энергии извещает свой собственный адрес BT устройству приема энергии через антенну передачи энергии. Можно также осуществлять извещение адреса BT, на котором осуществлялась конкретная арифметическая операция. Благодаря тому, что устройство передачи энергии и устройство приема энергии совместно используют конкретную арифметическую операцию, можно получить аналогичный результат, и безопасность повышается. Примеры конкретной арифметической операции включают в себя способ нахождения исключающего ИЛИ заранее определенной 6-байтовой битовой строки и битовой строки адреса BT (6 байтов).
[0143] Дополнительно, можно также передавать импульс, включающий в себя добавление пин-кода, вместо импульса, включающего в себя только адрес BT. Использование конфигурации, где пин-код при необходимости изменяется, повышает сложность ключа шифрования и повышает безопасность.
[0144] Также, в вышеприведенном описании, устройство передачи энергии извещает свой собственный адрес BT устройству приема энергии через антенну передачи энергии. Адрес BT может быть другой информацией, позволяющей идентифицировать устройство передачи энергии. Например, адрес BT может быть случайным числом, генерируемым случайным образом устройством передачи энергии. В этом случае, устройство передачи энергии передает случайное число от момента времени Tb2 до момента времени Tb3 и присоединяет случайное число к сообщению запроса. Затем, аналогичный результат можно получить также, когда устройство приема энергии сравнивает принятое случайное число и случайное число, присоединенное к запросу от момента времени Tb2 до момента времени Tb3 на этапе S1316.
[0145] Также, при обработке аутентификации BT и генерации ключа шифрования, устройство приема энергии может включать в себя информационный элемент, указывающий, что оно может принимать услугу беспроводной зарядки, в сообщении ответа на запрос и передавать это сообщение ответа на запрос на устройство передачи энергии в качестве ответа. Например, устройство приема энергии может включать в себя “приемник беспроводной энергии” в качестве информационного элемента. Благодаря тому, что обработку аутентификации осуществляет только источник передачи ответа, включающего в себя информационный элемент, из принятых ответов на запросы, устройство передачи энергии может избежать осуществления ненужной обработки аутентификации с устройством BT, которое не может принимать услугу беспроводной зарядки.
[0146] Также, в вышеприведенном описании, устройство передачи энергии действует как главное устройство, и устройство приема энергии определяет, передавать ли ответ на запрос, на основании адреса запроса источник передачи. Однако другой пакет, обмен которым осуществляется до ключа шифрования, совместно используется на этапе S1111, или, другими словами, можно использовать другой пакет, который ожидается в качестве ответа от подчиненного устройства. Например, можно использовать пакет ID, обмен которым осуществляется во время вызова (страница).
[0147] Также, сигнал 503 адреса BT выполнен с возможностью передачи устройством передачи энергии, но возможна конфигурация, в которой устройство приема энергии передает свой собственный адрес BT. В этом случае, устройство приема энергии, например, управляет соединением между антенным переключателем и резонансным блоком и, таким образом, модулирует нагрузку согласно импульсу, передаваемому устройством передачи энергии. Это изменяет импеданс, когда устройство приема энергии воспринимается устройством передачи энергии и позволяет передавать информацию адреса BT.
[0148] В этом случае, используется конфигурация, где устройство передачи энергии имеет область 900 хранения и область 901 хранения. В устройстве передачи энергии хранится адрес BT устройства приема энергии, который был принят с использованием модуляции нагрузки в области 900 хранения, и хранится адрес BT устройства приема энергии, который является сообщением ответа на запрос источник передачи в области 901 хранения. Затем устройство передачи энергии сравнивает адреса BT с использованием обработки на этапе S1316 и осуществляет обработку аутентификации и генерации ключа шифрования на адресах BT, если они совпадают. В этом случае, обработка аутентификации BT осуществляется только с устройством приема энергии, которое присутствует в зоне 201 передачи энергии, и, таким образом, сообщения SRES всегда совпадают, и ненужная обработка аутентификации для других устройств BT не осуществляется.
[0149] Также, устройство передачи энергии и устройство приема энергии могут передавать соответствующие адреса BT от антенны передачи энергии и антенны приема энергии. В этом случае, используется конфигурация, где устройство передачи энергии и устройство приема энергии имеют область 900 хранения и область 901 хранения. Приняв адрес BT 503 устройства передачи энергии в момент времени T3 на фиг. 5, устройство приема энергии затем передает адрес BT устройства приема энергии. В этом случае, устройство приема энергии передает ответ на запрос только на устройство передачи энергии, которое присутствует в зоне 201 передачи энергии. Также, поскольку устройство передачи энергии осуществляет обработку аутентификации только с устройством приема энергии, которое присутствует в зоне 201 передачи энергии, в результате, ненужная обработка не осуществляется, например, обработка аутентификации осуществляется с устройством BT, которое не может принимать услугу беспроводной зарядки.
[0150] Измененный пример 2
Кроме того, аналогичные результаты можно получить также в случае, когда блок 116 связи и блок 119 связи совместимы со стандартом связи, отличным от BT, например беспроводной LAN. В случае беспроводной LAN, достаточно использовать конфигурацию, где адрес BT заменен MAC-адресом, сообщение запроса заменено сообщением ProbeRequest, и сообщение ответа на запрос заменено сообщением ProbeResponse.
[0151] Например, в обработке аутентификации и соединения, можно использовать стандарт Wi-Fi Direct Service (именуемый ниже стандартом WDFS), установленный альянсом Wi-Fi. Стандарт WFDS является протоколом, который может осуществлять обработку аутентификации и соединения между одной точкой доступа и одной станцией в беспроводной LAN. Также, устройство передачи энергии и устройство приема энергии выполнены с возможностью передачи соответствующих MAC-адресов от антенны передачи энергии и антенны приема энергии.
[0152] Затем, если MAC-адреса, хранящиеся в области 900 хранения и области 901 хранения, совпадают, устройство передачи энергии и устройство приема энергии запускают WFDS. Затем, если обработка аутентификации и соединения осуществляются только с устройством беспроводной LAN, имеющим MAC-адрес, который сохраняется в области 900 хранения и области 901 хранения устройством передачи энергии и устройством приема энергии соответственно, устройство передачи энергии может осуществлять управление связью с устройством приема энергии, которое присутствует в зоне, где может осуществляться передача энергии.
[0153] Здесь будет рассмотрен случай, когда несколько устройств приема энергии присутствуют в зоне 201 передачи энергии в системе, в которой осуществляется обмен сигналами управления с использованием беспроводной LAN. Предполагается, что устройство приема энергии, действующее как точка доступа, по той или иной причине покинуло зону 200 связи. Таким образом, соединение по беспроводной LAN между устройством передачи энергии и устройством приема энергии, действующим как точка доступа, разрывается. По этой причине, устройство передачи энергии не может обмениваться сигналами управления с остальными устройствами приема энергии. Вследствие этого, желательно, чтобы устройство передачи энергии было выполнено с возможностью действовать как точка доступа.
[0154] Заметим, что терминал беспроводной LAN, совместимый с WFDS, может быть станцией или точкой доступа. В фазе GroupNegotiation (именуемой ниже “фазой GN”) в стандарте WFDS, производится определение, играет ли терминал беспроводной LAN роль станции или точки доступа. Также, согласно стандарту WFDS, терминал беспроводной LAN, имеющий более высокое целевое значение от 0 до 15, обмен которым осуществляется в фазе GN, выступает в роли точки доступа, и терминал беспроводной LAN имеющий более низкое целевое значение, выступает в роли станции.
[0155] Вследствие этого, достаточно, чтобы целевое значение, передаваемое устройством передачи энергии, было больше целевого значения, передаваемого устройством приема энергии. Например, устанавливая целевое значение, передаваемое устройством 100 передачи энергии на устройство 101 приема энергии в фазе GN, равным “15” и устанавливая целевое значение, передаваемое устройством 101 приема энергии на устройство 100 передачи энергии в фазе GN, равным “0”, устройство 100 передачи энергии может действовать как точка доступа, и устройство 101 приема энергии может действовать как станция.
[0156] Кроме того, хотя стандарт WFDS описан в качестве примера протокола для осуществления обработки аутентификации и соединения, можно также использовать стандарт Wi-Fi Direct.
[0157] Также, устройство передачи энергии и устройство приема энергии выполнены с возможностью для передачи соответствующих MAC-адресов от антенны передачи энергии и антенны приема энергии, но также возможна конфигурация, где их передачу осуществляет одно из устройства передачи энергии и устройства приема энергии. Таким образом, на основании стандарта беспроводной LAN, устройство передачи энергии может осуществлять управление связью с устройством приема энергии, которое присутствует в зоне, где связь возможна, и устройства передачи и приема энергии могут идентифицировать друг друга.
[0158] Другие варианты осуществления
Варианты осуществления настоящего изобретения также могут быть реализованы посредством компьютерных систем или устройства, которое считывает и выполняет компьютерно-исполнимые инструкции, записанные на носителе информации (например, нетранзиторном компьютерно-считываемом носителе информации) для осуществления функций одного или более из вышеописанных вариантов осуществления настоящего изобретения, и посредством способа, осуществляемого компьютерными системами или устройством, например, путем считывания и выполнения компьютерно-исполнимых инструкций из носителя информации для осуществления функций одного или более из вышеописанных вариантов осуществления. Компьютер может содержать один или более из центрального процессора (CPU), микропроцессора (MPU) или другой схемы, и может включать в себя сеть отдельных компьютеров или отдельных компьютерных процессоров. Компьютерно-исполнимые инструкции могут поступать на компьютер, например, из сети или среды хранения. Среда хранения может включать в себя, например, один или более из жесткого диска, оперативной памяти (RAM), постоянной памяти (ROM), хранилища распределенных вычислительных систем, оптического диска (например, компакт-диска (CD), цифрового универсального диска (DVD) или диска Blu-ray (BD)™), устройства флэш-памятки, карты памяти и пр.
[0159] Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытыми иллюстративными вариантами осуществления. Объем нижеследующей формулы изобретения должен отвечать самой широкой интерпретации, чтобы охватывать все подобные модификации и эквивалентные структуры и функции.
[0160] По данной заявке испрашивается приоритет японской патентной заявкой № 2013-088880, поданной 19 апреля 2013 г., которая, таким образом, включена сюда посредством ссылки в полном объеме.

Способы передачи электроэнергии беспроводными методами
Библиографическое описание:
Цыганков, А. В. Способы передачи электроэнергии беспроводными методами / А. В. Цыганков, Б. Е. Кивенко, Д. К. Березовский. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 42 (332). — С. 19-23. — URL: https://moluch.ru/archive/332/74121/ (дата обращения: 05.04.2021).

В статье авторы рассказывают о способах передачи электроэнергии беспроводными методами и собирают два устройства способные передавать электричество и электростатическое излучение.
Ключевые слова: беспроводная передача энергии, устройство, электромагнитный импульс, переменный ток, SWER, передача энергии.
Открытия, которые способствовали созданию технологий беспроводной передачи энергии, были открыты ещё в XII веке. Но широкое применение эти открытия нашли только в XXI веке. И в наше время технология беспроводной сети является настоящим и будущем в науке и быту. Беспроводные технологии способны не только улучшить жизнь человечества, но и решить массу экологических проблем, связанных с ресурсами планеты «Земля» и загрязнения экосистемы.
Цель работы: выяснить какие бывают способы беспроводной передачи электроэнергии и узнать, как они работают.
Технологии
Ультразвуковой способ
В этом способе есть передатчик и приёмник (Рис.1). Передатчик излучает ультразвук; приёмник же в свою очередь преобразовывал слышимый ультразвук в электричество [2]. Передаваемое напряжение достигало 8 вольт на расстоянии 7–10 метров. При этом между приёмником и передатчиком должна быть непосредственная видимость. Доказано что используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека. Применение передачи электроэнергии при помощи ультразвука не возможна и не целесообразна из-за ограничений во многих государствах, низкого кпд и дороговизны оборудования.
Рис. 1. Пример работы ультразвукового способа передачи электроэнергии [2, с. 3]
Метод электромагнитной индукции
Это простейший и один из самых первых открытых способов передачи энергии беспроводным путём. Но основной минус этого метода кроется в способе его работы. Электромагнитная работает за счёт электромагнитных полей, которые должны располагаться на расстоянии около одной шестой длинны волны. Энергия ближнего поля не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же происходят. Так же имеют место быть и резистивные потери. При отдалении вторичной обмотки от первичной, большая часть магнитного поля не достигает вторичной обмотки. То есть даже на относительно небольших расстояниях индуктивная связь становится крайне неэффективной, и расходует большую часть передаваемой энергии в пустую.
Самый простой пример работы электромагнитной индукции это- трансформатор (Рис. 2). У трансформатора есть первичная и вторичная обмотки, которые на прямую не связанны [3]. Основной функцией трансформатора является увеличение или уменьшение первичного напряжения. В пример можно привести устройства, которые работают по такому же принципу: бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических зубных щёток. Индукционные плиты также используют этот метод.
Рис. 2. Электрический трансформатор ↑↑↑ [3 c. 4]
Также для улучшения электромагнитной индукции используют резонанс. Резонансная индукция работает уже за счёт передатчика и приёмника которые настроены на одну частоту, что позволяет току быть уже в виде электромагнитной волны, а не в виде электромагнитного поля. Производительность может быть улучшена ещё больше путём изменения формы волны управляющего тока от синусоидальных до несинусоидальных переходных формы волны. Обычным применением резонансной электродинамической индукции является зарядка аккумуляторных батарей портативных устройств, таких, как портативные компьютеры и сотовые телефоны, медицинские имплантаты и электромобили.
Электростатическая индукция
Электростатическая или емкостная связь представляет собой прохождение электричества через диэлектрик. В практическом плане это выглядит так, что ток образуется из электрического поля, которое создаётся за счёт двух или более изолированными пластинами, узлами, электродами или клеммами, возвышающимися над проводящей поверхностью. Сама индукция получается из электрического поля наводящееся в пластинах переменным током высокого потенциала и частоты. Расстояние между двумя электродами и питаемым устройством образует разницу потенциалов. Самый известный и распространённый пример применения электростатической индукции это- беспроводные лампы, которые можно располагать в любом месте в пределах электрического поля, которое создаёт источник.
Микроволновое излучение
В данном методе основную роль в передаче энергии играют радиоволны. Радиоволновую передачу энергии можно сделать более направленной, увеличив расстояние передачи энергии за счёт уменьшения длины волны электромагнитного излучения. Ректенна может использоваться для преобразования микроволновой энергии в электричество, эффективность которой превышает 95 %.
Плюсом этого способа является то, что при любой погоде при передачи данной энергии теряется только 5 %, но при этом его нужно сначала преобразовать в микроволны, а потом обратно в электричество. Но уже существует специальное устройство для преобразования, это магнитрон. Передача энергии при помощи микроволн даёт возможность передачи энергии на довольно большие расстояния и даже не требуется прямая видимость между приёмником и передатчиком, но также стоит отметить, что при увеличении дальности увеличивается и стоимость с размерами оборудования, так же микроволны большой мощности могут причинять вред человеку и окружающей среде.
Лазерный метод
Данный способ обеспечивает довольно большую дальность действия и в тоже время требуется прямая видимость между приёмником и передатчиком (Рис. 3). Главным плюсом данного метода в том, что он удобен для применения как небольших изделий, так и более крупных, например такие как спутники (Рис. 4). Так же полностью отсутствуют радиочастотные помехи. Так же, чтобы приёмник может получить энергию, нужно лишь навести на него лазерный луч [4].
У данного метода есть и недостатки, к примеру при преобразование низкочастотного электромагнитного излучения в высокочастотное, которым является свет, неэффективна. Так же неэффективно и обратное преобразование, так как КПД фотоэлементов достигает всего лишь 40–50 %.
Ранее передача энергии при помощи лазера (лазерной установки) осуществлялась только в военной отрасли и аэрокосмической, но уже сейчас данный метод используется и в промышленности, в маломощных устройствах [4]. Также лазерная передача энергии не так зависит от дифракционных излучений, так же характеристики лазеров дают возможность увеличивать мощность и дистанцию передачи.
Рис. 3. Пример работы лазерного метода передачи электроэнергии [4, c. 7]
Рис. 4. Пример работы лазерного метода передачи электроэнергии в космосе [4, c. 7]
Электропроводимость земли
Однопроводная электрическая система SWER (англ. single wire with earth return) основывается на токе земли и одном изолированном проводе. В аварийных случаях высоковольтные линии постоянного тока могут работать в режиме SWER (Рис. 5). Замена изолированного провода на атмосферную обратную связь для передачи мощного высокочастотного переменного тока стала одним из методов беспроводной передачи электроэнергии. Кроме того, исследовалась возможность беспроводной передачи электроэнергии только через землю [5]. Электропроводимость земли может служить для передачи низкочастотного переменного тока, так как сопротивление земли значительно меньше. Электростатическая индукция диэлектрических тел может возникать в больших залежах кварцевого песка в земле и ему подобных. Также переменный ток может передаваться и через слои атмосферы. Ток протекает через нижние слои атмосферы земли где-то в 3,2 километрах над уровнем моря. Стоит отметить, что пучки ультрафиолетового излучения могут быть использованы для ионизации атмосферных газов, приводя к плазменным высоковольтным линиям электропередачи. В итоге образуется поток электрического тока, идущего до тропосферы и через неё на другой терминал. Электропроводность тока через слои атмосферы становится возможной непосредственно благодаря плазменному разряду в ионизированной атмосфере земли.
Земля это-естественный проводник, который образует один проводящий контур. Обратный контур проходит через верхние слои тропосферы и нижние слои стратосферы на высоте примерно 7,2 км [5].
Рис. 5. Схема передачи электричества с помощью электропроводимости земли [5, c.8].
Литература:
Иродов И. Е. т.3. Основные законы электромагнетизма. (7-е изд, 2009)
Иродов И. Е. т.4. Основные законы. Волновые процессы. (1999)
Матвеев А. Н. (Курс общей физики. Т. 3) Электричество и магнетизм. (1983.)
Савельев И. В. Курс общей физики. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. (2-е изд., 1982)
[Электронный ресурс]. — ссылка доступа: URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Беспроводная_передача_электричества
Основные термины (генерируются автоматически): SWER, передача энергии, беспроводная передача электроэнергии, вторичная обмотка, переменный ток, электрическое поле, электромагнитная индукция, электростатическая индукция, беспроводная передача энергии, прямая видимость.
Напечатанная на 3D-принтере антенна способна превращать сигнал 5G в электроэнергию
Сотовые операторы по всему миру активно развёртывают сети 5G. Они позволяют обеспечить молниеносную скорость передачи данных, предоставляя пользователям доступ к контенту потрясающего качества. Тем не менее, разработчики технологий 5G вряд ли догадывались, что создают беспроводной способ передачи электроэнергии. Эту возможность реализовали специалисты Технологического института Джорджии.
Учёные разработали небольшую антенну, которую потом распечатали на 3D-принтере. Она позволяет преобразовывать полученный сигнал 5G в электрический ток. Стоит отметить, что 5G-сигнал доступен в нескольких вариантах, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Наибольшие скорости обеспечивает миллиметровый диапазон (mmWave), позволяющий передавать несколько гигабит в секунду. Это означает, что он обладает высоким потенциалом для получения электрической энергии.

Стоит отметить, что об этом было известно и раньше, однако для получения тока использовалась довольно большая выпрямляющая антенна, что делало затею непрактичной. Разработка Технологического института Джорджии решает эту проблему. Благодаря использованию компонента под названием «линза Ротмана», имеющего шипастую форму, антенну удалось уменьшить до размеров человеческой ладони, а также сделать её плоской и гибкой. «Линзы Ротмана» уже широко используются в системах формирования луча 5G, позволяя расширить покрытие сети.
Антенна, разработанная Технологическим институтом Джорджии, поглощает в 21 раз больше энергии, чем стандартная выпрямляющая антенна того же размера. Речь идёт всего о 6 микроваттах, которые можно получить на расстоянии 180 метров от передатчика 5G при условии прямой видимости. Конечно, это совсем немного, однако такого количества энергии достаточно для питания датчиков и простых устройств Интернета вещей. Команда считает, что беспроводная передача энергии в сетях 5G имеет большое будущее, если операторы сотовой связи выяснят, как взимать за неё плату.
Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Механическая передача энергии | Инженерное проектирование продуктов
Что такое механическая передача энергии?
Механическая передача энергии – это передача энергии от места, где она генерируется, к месту, где она используется для выполнения работы с использованием простых машин, соединений и элементов механической передачи энергии.
Механическая передача энергии
Почти все машины имеют какую-либо передачу мощности и движения от входного источника. Обычно это электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания, который обычно обеспечивает вращающий момент через комбинацию входного вала и муфты.

Зачем нужна механическая передача энергии?
Есть много способов выработки энергии, но иногда невозможно произвести энергию там, где она необходима, в правильной форме, направлении или величине. Следовательно, передача электрической и механической энергии жизненно важна для проектирования любой инженерной продукции. Эта статья посвящена исключительно механической передаче энергии и ее элементам, за исключением передачи электроэнергии. Механическая силовая передача и ее элементы используются по следующим причинам:
Выработанная мощность или энергия могут быть преобразованы в полезную форму
Физические ограничения ограничивают выработку электроэнергии в том месте, где она используется, следовательно, ее можно передавать от источника к месту, где она необходима
Может использоваться для изменения направления и величины, например скорости или крутящего момента.
Может использоваться для изменения типа энергии i.е. вращательное в линейное и наоборот
Элементы механической передачи энергии
В конструкциях технических изделий, таких как автоматические приводы, механизмы и т. Д., Передача энергии и ее элементы позволяют согласовать источник энергии с его рабочей средой и состоянием рабочих элементов.
Преимущества элементов передачи энергии
Эффективная передача мощности
Элементы помогают разделить и распределить источник энергии для запуска нескольких механизмов, таких как один двигатель, управляющий несколькими конвейерными лентами.
Изменить скорость вращения
Обратное направление вращения двигателя
Преобразует вращательное движение в поступательное возвратно-поступательное движение
Типы элементов механической передачи энергии
Валы и муфты
Винты силовые
Шестерни и зубчатые передачи
Тормоза и сцепления
Ремни, канаты и шкивы
Цепи и звездочки
Валы и муфты
Как обсуждалось ранее, валы и муфты являются неотъемлемой частью передачи энергии для современных инженерных конструкций, таких как машины.Поскольку валы трансмиссии широко используются практически во всех типах конструкции механического оборудования, конструкция имеет решающее значение для безопасности и длительного срока службы машин.
Валы
Компоненты, такие как муфты, шестерни, шкивы, звездочки и т. Д., Устанавливаются на вал для передачи мощности или вращения через центральную часть компонента, называемую ступицей, вместе с удерживающими устройствами, такими как шпонки и шлицы. Соединение должно гарантировать, что соединение передает нагрузку, мощность и вращение без проскальзывания и в пределах требований к точности конструкции.
вал-конструкция
Типы соединений и компонентов, которые должны использоваться вдоль оси вала, продиктованы функциональными требованиями продукта и зависят от следующих факторов
– Величина крутящего момента
– Размер вала
– Скорость вращения
– Направление вращения
Муфты
Муфты, также известные как муфты валов, используются для соединения двух концов валов вместе для передачи углового вращения и крутящего момента. Основное требование к конструкции муфты и ее удерживающих устройств заключается в том, что номинальный крутящий момент должен передаваться без проскальзывания, преждевременного выхода из строя или, в некоторых случаях, он должен выдерживать перекос.
Жесткие и гибкие муфты
Механические муфты для передачи энергии обычно делятся на две большие категории
Муфта жесткая
Эластичная муфта
Жесткие муфты просты, удобны в конструкции и сравнительно дешевы, хотя требуют точной центровки валов, тогда как гибкие муфты могут компенсировать перекос валов.
Винты силовые
Силовой винт, также известный как ходовой винт (или ходовой винт) и винт переноса, представляет собой винт, используемый в качестве элемента связи для передачи энергии в таком инженерном изделии, как машина, для преобразования вращательного движения в линейное движение.Большая площадь скользящего контакта между охватываемой и охватывающей частью резьбы винта обеспечивает большое механическое преимущество за счет малого угла клина.
Силовой винт
Силовые винты имеют множество применений, таких как линейные ходовые винты, машинные суппорты, тиски, винтовые домкраты, механические механизмы управления прессом и т. Д. Наиболее распространенные устройства устроены так, что силовой винт вращается, а гайка переводится в линейное движение вдоль винтов. Но он также используется в противоположной ориентации, такой как винтовой домкрат, где гайка вращается, а винт движется линейно, чтобы поднять домкрат.
Они не используются для передачи большой мощности из-за больших потерь энергии на трение на резьбе винта, но используются в прерывистой передаче малой мощности, например, в позиционерах с низкой точностью.

Шестерни и зубчатые передачи
Зубчатые передачи – это несколько комплектов шестерен, передающих мощность. Зубчатая передача – это система механической передачи энергии, в которой шестерни установлены на валах, так что зубья сопряженных шестерен входят в зацепление и каждое перекатывается друг на друга по диаметру делительной окружности.
Шестерни и зубчатые передачи
Передаточное число и механическое преимущество сопряженных шестерен определяются соотношением диаметров делительной окружности.
Тормоза и сцепления
Теоретически тормоза и муфты почти неразличимы, хотя функционально муфты представляют собой муфты, которые используются для включения и отключения передаваемой мощности между двумя соединительными валами, вращающимися с разными скоростями на общей оси. Основная функция муфты – привести оба элемента к общей угловой скорости.
тормоза и сцепления
Тормоз работает аналогичным образом, за исключением того, что один из элементов является фиксированным, поэтому при срабатывании общая угловая скорость равна нулю.
Хотя тормоза и сцепления известны своим автомобильным применением, они также широко используются в лебедках, косилках, подъемниках, стиральных машинах, тракторах, мельницах, лифтах и экскаваторах.
Сцепления
Механические муфты можно классифицировать и различать по-разному в зависимости от типа зацепления, принципа действия, типа срабатывания и метода работы
Вид взаимодействия Принцип действия Тип срабатывания Метод работы
Муфты принудительного привода Муфты замыкающие Гидравлическое управление Муфты сухие
муфты фрикционные Муфты размыкающие Пневматический Мокрое сцепление
Механический
Муфты электромагнитные
Важные моменты, которые следует учитывать
Передаваемый крутящий момент
Управляющая сила
Потери энергии
Повышение температуры
Тормоза
Как и сцепления, бывают механические, гидравлические, пневматические и электрические тормоза.
Его можно классифицировать по назначению:
Блокировка тормозов, стопорные тормоза
Регулирующие тормоза
Динамометрические тормоза
Некоторые из распространенных типов тормозов:
Тормоза колодочные
Ленточная выпечка
Тормоза дисковые
Тормоза барабанные
Ремни, канаты и шкивы
Ремни и шкивы используются, когда расстояние между валами слишком велико для использования шестерен.
ремни, тросы и шкивы
Цепи и звездочки
Цепи
используются для низкоскоростных приложений, где расстояние между валами слишком велико для использования зубчатых передач, а ремни будут поддерживать крутящий момент, который необходимо передавать. Они также являются хорошим способом передачи энергии, когда необходимо точное соотношение скоростей
цепи и звездочки
Совет по дизайну: звездочки с нечетным числом зубьев изнашиваются медленнее, чем звездочки с четным числом зубцов.
Взгляд на технологию ремней, цепей и зубчатых передач
Джек Уорнер
Потребность в производстве большего количества энергии возрастает с ростом нашей потребности в коммерческих, промышленных и жилых помещениях.Согласно недавнему отчету, только в Северной Америке (включая США, Канаду и Мексику) рынок передачи электроэнергии оценивается в колоссальные 70,4 миллиарда долларов.
На любом промышленном предприятии турбины и двигатели используются для создания вращательного механического движения для выполнения различных задач. Рынок промышленной передачи энергии работает с базовыми продуктами с открытым приводом, такими как ременные передачи, цепные передачи, зубчатые передачи, и каждая из них имеет свой набор преимуществ и недостатков.В этом посте мы рассмотрим плюсы и минусы этих компонентов технологии передачи энергии.
Ленточная техника
Одно из самых распространенных устройств, ременные передачи, используются для передачи движения от одного вала к другому с помощью тонкой нерастяжимой ленты, проходящей через два шкива. По сути, это петля из гибкого материала, которая механически связывает вращающиеся валы.
На рынке доступны различные типы ременных приводов, такие как плоский ремень, клиновой ремень, канатный привод и ремень ГРМ.Важно выбрать правильный тип ременной передачи в зависимости от:
Передаваемая мощность
Направление движения ремня
Скорость вала и соотношение скоростей
Условия эксплуатации
Расстояние между валами и доступное пространство
Независимо от типа используемого ременного привода, эта технология обеспечивает плавную и эффективную передачу мощности между валами, даже если они находятся на значительном расстоянии.Эта технология используется, когда вам нужно передать вращательное движение между двумя параллельными валами. Это самый дешевый способ передачи энергии.
К преимуществам ременной передачи относятся:
Ременные приводы экономичны. Эффективность нового ременного привода может достигать 95-98 процентов
Они просты в использовании
Ременные передачи не требуют параллельного вала
У них низкая стоимость обслуживания
Поставляются с защитой от перегрузки и заклинивания
С помощью ступенчатых или конических шкивов можно получить разные скорости.
Когда расстояние между валами очень велико, ременные передачи являются наиболее экономичным вариантом
Глушитель шума и вибрации
Колебания нагрузки амортизируются, что увеличивает срок службы оборудования.
Действие сцепления можно активировать, ослабив натяжение ремня
Однако ленточная технология также имеет определенные недостатки .Это:
Ременные передачи не компактные
Ограниченная скорость около 35 метров в секунду
По сравнению с другими режимами передачи энергии, они имеют короткий срок службы.
Обычно его рабочие температуры ограничиваются от –35 до 85 ° C
Угловая скорость ременных передач непостоянна. Это приводит к растяжению, скольжению и износу ремня
.
Имеет ограниченную передачу мощности до 370 кВт, что увеличивает тепловыделение.
Ременные передачи обычно создают большую нагрузку на валы и подшипники
Для компенсации износа и растяжения им дополнительно требуется натяжной шкив или некоторая регулировка межосевого расстояния.
Соотношение скоростей меняется из-за проскальзывания ремня
Цепная техника
Как следует из названия, цепные приводы имеют бесконечный ряд звеньев цепи с сеткой из зубчатых звездочек.В отличие от ременных передач, в цепной технике отсутствует проскальзывание. Однако они в основном подходят для небольших межосевых расстояний, обычно до 3 метров. В некоторых особых случаях цепные приводы могут преодолевать расстояние до 8 метров.
Эта технология используется для выполнения трех основных функций. Это:
Передаваемая мощность: Они могут передавать мощность (скорость и крутящий момент) от одного компонента к другому с помощью связанной цепи и звездочек. Цепные приводы могут передавать большой крутящий момент даже в компактном пространстве.
Транспортировка материалов: Они могут перемещать, переносить, сдвигать, толкать и тянуть различные материалы, прикрепляя к цепям ведра, рамы, карманы или сетки. Они часто используются для поворота роликов для перемещения конвейерной ленты.
Цели хронирования: Многие отрасли используют их для синхронизации или движения во времени.
Как и любой другой тип систем механической трансмиссии, цепные приводы также имеют ряд преимуществ и недостатков. К преимуществам относятся:
Положительные приводы без проскальзывания или проскальзывания
В отличие от ременных передач, в цепных передачах угловая скорость остается постоянной.
Передаточное число до 8: 1
Обеспечивает высокое передаточное число от 8 до 10 за один шаг
Высокоэффективный цепной привод дает преимущество большей мощности по сравнению с ремнями
Может использоваться как для малых, так и для больших межосевых расстояний
Цепные приводы имеют низкую стоимость обслуживания
Они обеспечивают высокий КПД передачи до 98 процентов.
Могут работать даже во влажных условиях
Более компактный и простой в установке по сравнению с ременным приводом
Цепные приводы не изнашиваются под воздействием солнечного света, масла, смазки или возраста
Более низкая нагрузка на вал, чем ременные передачи
Недостатки цепных передач
Начальная стоимость установки выше ремня
Стоимость производства также относительно выше
Цепные приводы требуют регулярной смазки
Ведущий и ведомый валы должны быть точно выровнены и параллельны
Они могут иметь колебания скорости при чрезмерном растяжении
Не подходит для применений, где необходимо проскальзывание привода
Цепной привод шумит и может вызывать вибрацию
Имеют меньшую грузоподъемность и срок службы по сравнению с зубчатыми передачами
Зубчатая техника
В мире механической передачи энергии зубчатые передачи занимают особое и видное место.Это наиболее предпочтительная технология, когда вам нужно передать значительную мощность на короткое расстояние с постоянным соотношением скоростей. Механизм зубчатых передач довольно прост – зубья, нарезанные на заготовках шестерни, сцепляются друг с другом для передачи мощности. Во избежание скольжения выступы на одном диске зацепляются с выемками на другом диске в зубчатых передачах.
В этой технологии используются разные типы шестерен для передачи энергии. Фактически, он может передавать мощность не только между параллельными валами, но также между непараллельными, копланарными, пересекающимися и т. Д.валы.
Ниже приведены преимущества зубчатых передач:
Приводы положительные и нескользящие
Большое и постоянное передаточное число 60: 1 может быть получено при использовании зубчатых передач с минимальным пространством
Зубчатые передачи обладают механической прочностью, что позволяет поднимать большие грузы с помощью тележки
Более длительный срок службы по сравнению с ременной и цепной передачей
Они могут передавать большую мощность
Зубчатые передачи имеют высокий КПД передачи
Они могут передавать движение на небольшом межосевом расстоянии валов
Эти приводы идеальны для передачи малой, средней и большой мощности
Шестерни могут передавать движение даже между непараллельными пересекающимися валами
Это самые компактные по сравнению с ременной и цепной передачей
К сожалению, зубчатые передачи тоже имеют определенные недостатки :
Зубчатые передачи нельзя использовать для валов с большим межосевым расстоянием
Они не идеальны для больших скоростей
Эти приводы требуют регулярной смазки и более сложного процесса нанесения
Шум и вибрация увеличиваются на высокой скорости
Они менее экономичны по сравнению с ременными и цепными передачами
Использование нескольких передач увеличивает общий вес машины
У них нет гибкости
Не подходит для передачи движения на большое расстояние
Зубчатое колесо шестерен может привести к необратимому повреждению какой-либо части станка.Это чаще встречается в случае чрезмерной нагрузки
Заключение
Энергия необходима для привода машин и оборудования различного назначения. В разных отраслях промышленности используются разные продукты для передачи энергии, а иногда и их комбинация, чтобы удовлетворить свои потребности. Поэтому, если кто-то спросит, какая технология передачи мощности является лучшей, будет несложно выбрать один из них, поскольку у этих приводов есть свои плюсы и минусы.Таким образом, единственным определяющим фактором должна быть задача, которую необходимо решить с помощью технологии передачи энергии. И, конечно, бюджет тоже.
Об авторе: Джек Уорнер – технический энтузиаст, который любит быть в курсе последних норм в мире технологий. Он пишет для Power Jack Motion, компании, которая производит и поставляет компоненты управления движением.
Руководство по механической передаче энергии
Машины или детали машин могут перемещаться через привод, также называемые транспортерами или трансмиссиями.Привод – это собирательное название различных методов, передающих круговые или возвратно-поступательные движения, а также мощность / мощность машины.
Один из наиболее распространенных примеров – автомобиль, колеса которого приводятся в движение двигателем. В промышленности мы встречаем приводы во всех машинах, требующих движения, таких как насосы, вентиляторы, Устройства захвата и размещения, конвейерные ленты и т. д. Существуют несколько приводных систем:
Гидравлические приводы
Пневматические приводы
Электроприводы
Механические приводы
В этом руководстве мы углубимся в механические приводы.Это руководство предназначено для того, чтобы проинформировать вас о том, как работают эти приводы, какие существуют механические приводы и какие части принадлежат этим приводам.
1. Как работают механические силовые передачи?
Механические приводы, одни из самых старых существующих приводов, широко используются в технологическом секторе. Мощность и движение передаются через приводной двигатель, такой как ремни, цепи или шестерни.Иногда инструменту требуются такие же скорость и мощность, как и у движущегося двигателя, но они также могут отличаться. В последнем случае мы говорим о переменной передаче.
Мощность обычно передается от вращательного движения к другому поворотному движению, хотя иногда вращательное движение также преобразуется в линейное движение.
Существуют различные способы передачи мощности и скорости в технологии передачи механической энергии:

Ассортимент механических приводов
Откройте для себя ассортимент механических приводов и найдите подходящий продукт для вашего приложения.
Посмотреть ассортимент
2. Ременные передачи
Основное назначение ременных передач – передача мощности между двумя параллельными осями с помощью ремня. На этих осях установлены шкивы (также называемые ременными шкивами), поэтому ремень может свободно перемещаться по ним. Используется закрытый пояс, поэтому он не имеет ни начала, ни конца. Когда два шкива имеют одинаковый диаметр, они будут вращаться с одинаковой скоростью.
Но когда одна из осей имеет диаметр, отличный от диаметра другой оси, скорость либо увеличится, либо замедлится.Шкивы ременной передачи обычно вращаются в одном направлении.
Существует три различных ременных привода: клиноременный привод, зубчато-ременный привод и плоский ременной привод. Большинство приводов оснащены клиновым или зубчатым ремнем, они будут описаны ниже.

Типы ременных передач
Привод клиноременной
Ремни
существуют с начала 20 века. Этот привод состоит из двух или более шкивов с одной или несколькими V-образными канавками на внешней стороне.Ремень клиновой затем натягивается через эти канавки, и когда ведущий шкив движется, клиновой ремень обеспечивает движение ведомого шкива.
Если клиновой ремень недостаточно натянут или если клиновые канавки изношены, ремень может проскользнуть. Проскальзывание также происходит, когда система заблокирована. Несколько клиновых ремней могут двигаться рядом друг с другом в одном шкиве для передачи большей мощности.

Привод зубчатый
Приводы с зубчатым ремнем состоят из двух или более шкивов с выступающими снаружи зубьями, зубчатым ремнем. затем закручивается между шкивами.Зубья ремня входят в зацепление с зубьями шкива и передают движение от одного привода к другому. В отличие от клиноременных передач, зубчато-ременные приводы обычно производят очень небольшой люфт, что исключает риск проскальзывания. В свою очередь, рентабельность зубчато-ременного привода выше, чем у аналогов.

Расчет отношения скоростей
Рассчитать скорость ведомого шкива несложно. Вы можете использовать следующую формулу:
d1 x n1 = d2 x n2
d1 = диаметр шкива 1
n1 = число оборотов шкива 1 в минуту (скорость водителя)
d2 = диаметр шкива 2
n2 = число оборотов шкива 2 в минуту (скорость вращения)
Возможно, что шкив клиноременной передачи вращается несколько медленнее, чем указано в формуле.Возможно, это результат проскальзывания, которое может произойти в клиновых ремнях, но не произойдет в приводе с зубчатым ремнем.

Использование ременной передачи
Ременные приводы обычно используются в насосах, промышленных вентиляторах, а также в рольгантах или транспортных лентах, компрессорах и т. Д.

Преимущества использования ременной передачи
Во-первых, ременные передачи обеспечивают плавную передачу мощности от одного компонента к другому на большее расстояние.К другим преимуществам можно отнести:
Экономично; ременные передачи имеют высокий КПД (95-98%)
Простой в использовании и легкий
Низкие затраты на техническое обслуживание
Длительный срок службы

Недостатки ременной передачи
Одной из возможных причин не использовать клиноременную передачу может быть риск проскальзывания. Хотя это проскальзывание также может служить мерой безопасности при заблокированном приводе.Вы не найдете возможности проскальзывания в приводе с зубчатым ремнем.
Другими недостатками ременной передачи являются:
Привод не является компактным, когда он соединен с приложениями, использующими большую силу.
Соотношение скоростей может изменяться из-за проскальзывания и растяжения ремня.

3. Цепные приводы
Подобно ременной передаче, цепная передача использует две «звездочки». которые связаны цепочкой.Эта цепь состоит из ряда звеньев, которые затем совпадают с зубчатыми звездочками. Оси идут параллельно, а все звездочки вращаются в одном направлении. Так же, как и зубчато-ременный привод, цепной привод не скользит и может передавать движение на большее расстояние.

Использование цепного привода
Когда мы думаем о цепном приводе, мы обычно думаем о байке и мотоцикле, но цепной привод также часто используется в аграрном секторе и в промышленных машинах.
Цепной привод известен для трех основных целей:

Передача мощности: Цепной привод может передавать мощность (скорость и крутящий момент) от одной детали к другой даже в компактном пространстве.
Транспортировка: Цепной привод может использоваться для транспортировки материалов (перемещение, толкание, тяга или перенос) прикрепив к цепи так называемые булавки. Типичные примеры: коробки, дерево, стекло и т. Д.
Синхронизация: Цепной привод также может использоваться для отслеживания времени или синхронизации.
Преимущества
Цепной привод, как и зубчатый ремень, не может проскальзывать. К другим преимуществам можно отнести:

Может иметь передаточное число
Экономичный, низкие потери энергии
Выдерживает высокие температуры, жидкости и грязь
Простота установки
Недостатки
Цепной привод требует более частого обслуживания и более шумный, чем ременной привод.К другим недостаткам можно отнести:
Цепь необходимо часто смазывать
Может проявляться колебание скорости при использовании длинной цепи, особенно в паре с меньшими звездочками
Может вызывать частую вибрацию

4. Муфты валов
Муфты валов используются для разных целей. Основное назначение муфты вала – передача мощности от ведущего вала к ведомому валу.Эти валы расположены на одной линии, в отличие от параллельных шкивов или звездочек в ременных и цепных передачах. Когда расстояние между двумя валами больше, можно использовать так называемые проставочные муфты.

Использование муфты вала
Муфты валов используются как соединение между двумя компонентами для водолазов, которые находятся на одной линии друг с другом. Мы видим это в различных отраслях, в первую очередь в машиностроении, в бумажной и графической промышленности и в промышленности синтетических материалов.Кроме того, доступны муфты валов, которые подходят для взрывоопасных сред.
Муфты приводного вала кроме передачи карданного вала имеют и другое назначение, а именно:
Высокая жесткость на кручение
Устраняет перекосы и механическую гибкость
Поглощает удары и вибрации

Различные муфты вала
Муфты известны разные реализации, а именно:
Ленточная муфта
Муфта гибкая (кулачковая)
Втулка пальцевая муфта
Муфта жесткая
Пластинчатая муфта
Муфты упругие
Гидравлическая муфта (или гидромуфта)
Муфты кулачковые
Муфты муфты
Карданный шарнир или шарнир Гука
Необходимая вам связь будет зависеть от мощности, приложения и окружения вашего приложения.

Преимущества
Муфты валов обычно используются для очень точной работы, но они обладают и другими преимуществами:

Низкие эксплуатационные расходы
Высокая точность на протяжении всего срока годности
Большинство муфт допускают радиальное и осевое смещение
Муфты с гашением вибрации
Работает в грязных и агрессивных средах

Недостатки
Их нельзя использовать при передаче мощности между параллельными осями.

В отраслевом глоссарии мы обсудим наиболее распространенные термины и сокращения, которые используются в отраслях, которые обслуживает ERIKS. например, в сырьевой, фармацевтической и пищевой промышленности, а также в энергетическом и транспортном секторах.
Прочитать глоссарий

5. Зубчатые передачи
Хотя зубчатая передача используется для передачи крутящего момента или мощности от одного вала к другому, как и другие приводы, они также часто используются для изменения направления вращения или угла движения.Кроме того, зубчатые передачи используются для увеличения или уменьшения крутящего момента и диапазона скоростей. Привод имеет входную шестерню и выходную шестерню, также известную как ведущая шестерня и ведомая шестерня. Как мы уже видели ранее в ременных и цепных передачах, в зубчатых передачах не может происходить скольжения.

Расчет отношения скоростей
Можно рассчитать передаточное число привода, также известное как передаточное число. Подсчитайте количество зубьев входной шестерни и ведомой шестерни, затем передаточное число определяется количеством зубьев на каждой шестерне.Если входная шестерня имеет 20 зубьев, а выходная шестерня – 10, то ваше деление будет 2: 1. Вы легко сможете определить соотношение скоростей по следующей формуле:
z1 x n1 = z2 x n2
z1 = количество зубьев входной шестерни
n1 = количество оборотов входной шестерни в секунду
z2 = количество зубьев ведомой шестерни
n2 = количество оборотов выходной шестерни в секунду

Использование зубчатой передачи
Зубчатые передачи часто используются, когда требуется передача большой мощности на короткое расстояние.Когда маленькая шестерня перемещает большую шестерню, это увеличивает мощность. Точно так же большая шестерня, перемещающая маленькую шестерню, приведет к увеличению скорости, хотя это также снижает мощность.

Преимущества
Зубчатые передачи компактны, но при этом обеспечивают широкий диапазон скоростей, что делает их идеальными для небольших помещений. К другим преимуществам можно отнести:
Проскальзывания нет
Постоянное соотношение скоростей
Мощная трансмиссия, способная передавать значительную мощность
Длительный срок службы шестерни

Недостатки
Зубчатая передача не подходит для осей с большими расстояниями.Он также известен такими недостатками:
Не лучшее решение для высоких скоростей
Техническое обслуживание необходимо проводить регулярно; шестерни нужно часто смазывать
Шумно на высоких скоростях
Менее экономичен, чем ременная или цепная передача
На общий вес приходится больше шестерен
Статический; небольшая гибкость
Шестерни легко повреждаются под ударной нагрузкой.

Свяжитесь с нашими специалистами
Мы знаем, что каждое приложение требует особого подхода, и каждый проект представляет собой новую задачу.Вот почему наши специалисты по продуктам проконсультируют вас и дадут вам полное представление о наших продуктах.
Позвоните нам по телефону +31 475 37 22 62 | Напишите нам
Подробнее о трансмиссии

Как выбрать подходящий подшипник?
Выбор правильного типа подшипника на этапе проектирования имеет решающее значение для обеспечения безопасной, стабильной и эффективной работы вашей машины.Хотим проинформировать вас, на что следует обращать внимание при выборе подшипника, чтобы вы всегда делали правильный выбор.
Подробнее
Как использовать сальники с подшипниками
Готов ли ваш сальник к замене? При замене обратите внимание на выбор материала, потому что это зависит от вашего применения. Читайте здесь для получения дополнительной информации.
Подробнее

Передача мощности для управления движением
Несмотря на то, что технологии развиваются и появляется много новых способов выполнения полезного движения в определенных приложениях, электродвигатели и редукторы по-прежнему являются предпочтительным и наиболее популярным выбором для передачи энергии в коммерческих, промышленных и автоматизированных приложениях. .Двигатели – это компоненты, которые преобразуют электрическую энергию в полезную механическую энергию. Редукторы преобразуют механическую мощность вращения в желаемую комбинацию скорости и крутящего момента, если двигатель не может сделать это напрямую. Преимущества этой комбинации включают невысокую стоимость, простоту, надежность и универсальность.
Сегодня на рынке представлено несколько стилей и типов электродвигателей и устройств передачи энергии. В зависимости от приложения разработчик может сначала выбрать между двигателями переменного и постоянного тока, а затем между стилями (например.g., индукционный, универсальный и постоянный магнит), и, наконец, между многими типами, характерными для каждого стиля. Перед проектировщиком также стоит задача выбрать управляющее устройство и усилитель, чтобы обеспечить надлежащую входную мощность для электродвигателя. В компоновке для передачи мощности можно выбирать между такими вариантами, как прямой привод, цепной / ременной привод, шарико-винтовые передачи, прямая передача и все типы, соответствующие этим стилям.
Входная мощность
По мере того, как дизайнеры собирают кусочки головоломки для решения своих приложений, они обычно сталкиваются с препятствием где-то посередине; двигатель не обеспечивает надлежащую мощность.Например, двигатель может обеспечивать необходимую мощность, но не соответствовать требованиям по скорости или крутящему моменту. Большинство двигателей рассчитаны на работу с максимальной выходной мощностью в определенном постоянном диапазоне нагрузки крутящего момента и скорости. Эксплуатация двигателя за пределами этого диапазона может привести либо к недостаточному использованию двигателя и потере денег на двигатель слишком большого размера, либо к чрезмерному использованию двигателя и потенциальному риску его повреждения.
Хотя двигатели каждого типа и типа работают по-разному, двигатели меньшего размера обычно работают более эффективно при более высоких скоростях и меньших крутящих моментах.Двигатели большего размера работают с более высоким крутящим моментом и более низкой скоростью. За динамикой этого легко проследить, если рассматривать двигатель как плечо с большим моментом. Чем больше радиус ротора, тем больший момент может быть создан двигателем, что приводит к большему крутящему моменту.
Высокоэнергетические серводвигатели с постоянными магнитами в последнее время стали чрезвычайно популярными в индустрии управления движением. Для этих двигателей общее практическое правило состоит в том, что если длина двигателя увеличивается вдвое, то выходной крутящий момент двигателя также увеличивается в два раза.Однако выходной крутящий момент двигателя будет увеличен в четыре раза, если длина останется прежней, а диаметр двигателя увеличится вдвое. Для максимальной эффективности, правильного размера и рентабельной конструкции лучше всего спроектировать двигатель для работы с расчетной точкой нагрузки по скорости и крутящему моменту или немного ниже нее.
Выходная мощность
Зубчатая передача – один из старейших способов преобразования и передачи крутящего момента. Большинство систем трансмиссии работают на основе изменения длины плеча момента для изменения характеристик крутящего момента при обратном изменении скорости.Крутящий момент можно легко увеличить вдвое с помощью всех типов трансмиссий, одновременно снизив скорость вдвое. Но, в конце концов, мощность на входе все равно равна мощности на выходе (за вычетом эффективности). Надлежащие системы передачи должны быть выбраны на основе производительности, размера, стоимости и различных других ограничений. Хотя у каждого типа системы есть свои плюсы и минусы, зубчатые передачи имеют много преимуществ в областях, касающихся экономической мощности в небольших корпусах.
Эвольвентные цилиндрические цилиндрические зубчатые колеса разработаны в соответствии с определенными стандартами и представляют собой высокоэффективные средства передачи мощности.Эвольвентные шестерни с углом наклона 20 градусов обычно являются самыми популярными в промышленности. Простое взаимодействие между двумя шестернями приводит к изменению скорости и крутящего момента на ту же величину, что и соотношение диаметров (или количества зубьев) двух шестерен. Мощность передается через зацепления зубьев шестерни за счет распределения нагрузки между несколькими зубьями (коэффициент контакта). Из-за угла давления в 20 градусов в систему вносится результирующая радиальная нагрузка на вал / шейки. КПД прямозубого зацепления может превышать 98%.
Для повышения производительности такой конструкции прямозубой шестерни был разработан тип эвольвентной прямозубой передачи, известный как планетарная передача (т.е. планетарная передача). Планетарная передача резко повысила прочность редуктора, исключив радиальную нагрузку за счет уравновешивания влияния любого зацепления одной шестерни.
Планетарные редукторы распределяют входную мощность, поступающую от солнечной шестерни (ведущей шестерни), на две или более планетарных шестерни. Поскольку планетарные шестерни расположены симметрично ведущей шестерне, радиальная нагрузка на ведущую шестерню устраняется.Планетарные шестерни размещены внутри коронной шестерни, зубья которой врезаны по внутреннему диаметру с перевернутым профилем зубьев. Разделительные силы (радиальные силы), возникающие в результате зацепления зубьев планетарных шестерен с солнечной и коронной шестернями, компенсируют друг друга. Кольцевая шестерня неподвижна, а ведущая шестерня солнечной шестерни приводит в движение планетарные шестерни, которые затем движутся в том же направлении вращения, что и солнечная шестерня.
Противодействует уравновешиванию входной силы солнечной шестерни с силой противодействия коронной шестерни, в результате возникает тангенциальная сила на оси вращения планетарной шестерни, вызывающая это шагающее движение.Вращательное движение и сила отдельных планетарных осей в совокупности улавливаются так называемой несущей пластиной и могут быть напрямую связаны либо с выходным валом, либо с другой солнечной шестерней, чтобы процесс повторялся через несколько этапов (в зависимости от соотношения ), см. рисунок 1.
В зависимости от количества зубьев солнечной шестерни и коронной шестерни каждая ступень обычно создает передаточные числа, от 3 до 10 раз превышающие входную скорость. Двухступенчатый планетарный редуктор с двумя ступенями от 10 до 1 (т.е.Например, 10 оборотов входной шестерни приводят к одному обороту выходной), дает в 100 раз больший выходной крутящий момент (меньшая эффективность) и 1/100 об / мин. Если бы редуктор был перевернут так, что выходной вал стал входным валом, скорость увеличилась бы в 100 раз; доступный выходной крутящий момент будет пропорционально уменьшаться.
Опции
Планетарный редуктор с редуктором, как описано, соблюдает: Отношение = (Ns + Nr) / Ns (где Ns = количество зубьев солнечной шестерни, а Nr = количество зубьев коронной шестерни).Существует множество вариантов планетарной передачи, которые могут быть изготовлены из этого типа. В некоторых случаях коронная шестерня может быть ведущей или выходной шестерней. Возможна также сложная планетарная передача, в которой зубчатые передачи используются в планетарной конфигурации. Автомобильная трансмиссия – хороший пример того, как несколько стилей планетарной передачи могут использоваться вместе.
Материалы, термообработка, ширина поверхности зубчатого колеса и изменение профиля зуба – это дополнительные факторы, которые следует учитывать при настройке конкретных преимуществ или характеристик редуктора.Коронка и облегчение кончика наконечника предлагают измененные рабочие характеристики. Методы производства также играют важную роль в производительности, времени выполнения заказа и разветвлении затрат. Шестерни могут быть литыми, формованными, протяжными, фрезерованными, фасонными, отточенными или шлифованными. У каждого метода есть свои преимущества и недостатки. Необходима более тщательная оценка конструкции редуктора, если у инженера есть особые требования к рабочим характеристикам или особые соображения в отношении срока службы, точности, шума, температуры и вибрации.
Стоимость планетарной передачи обычно выше, чем для группировки цилиндрических зубчатых колес, поскольку количество деталей и сложность выше.Однако планетарные шестерни значительно улучшают удельную мощность (крутящий момент), жесткость на кручение и уменьшение люфта. Типичные планетарные редукторы также имеют преимущества меньшего размера по сравнению с ременными / цепными передачами, гармоническими передачами и прямозубыми цилиндрическими зубчатыми передачами. Они также обычно обладают большей способностью выдерживать крутящий момент, чем ременные / цепные приводы и гармонические приводы сопоставимого размера. Гармонические приводы имеют меньшее количество комбинаций передаточных чисел, но они исключительно жесткие / точные и довольно дорогие.
Другие типы зубчатых колес, нашедшие свое применение во многих областях, – это конические зубчатые передачи (для размещения непараллельных валов), червячные зубчатые передачи (для более высоких передаточных чисел при непараллельных валах и устранения потенциала обратного вращения) и косозубые зубчатые зацепления.Косозубая передача аналогична прямозубой, за исключением того, что зубья шестерен не прямые и не параллельны оси вращения. Вместо этого они имеют спиральную закрутку. В результате зацепления винтовой зубчатой передачи увеличивается коэффициент контакта, и зубчатая передача может быть исключительно прочной и гладкой. Цилиндрические зубчатые колеса можно использовать практически везде, где используются цилиндрические цилиндрические зубчатые колеса. Помимо недостатка стоимости, косозубая передача обычно создает результирующие осевые силы как на ведущую шестерню, так и на ведомую шестерню.По этой причине все планетарные шестерни должны быть зафиксированы с обеих сторон шестерни, и как ведущая шестерня, так и ведомая несущая пластина / вал должны поддерживаться подшипниками, чтобы выдерживать осевую нагрузку. (См. Рисунок 2 для сравнения типов зубчатых колес.)
Программное обеспечение
Последние технологические достижения в области программного обеспечения также существенно повлияли на изменение характеристик работы редуктора за счет изменений конструкции. Обычно можно рассчитать межцентровые расстояния и количество зубьев планетарной шестерни как Np = (Nr-Ns) / 2 после того, как были определены солнечная шестерня и коронная шестерня.Однако это может не оптимизировать потенциальную мощность передачи редуктора. Изменение конструкции планетарного редуктора позволяет инженеру гибко вносить изменения в другие ключевые компоненты редуктора. Разработанные и усовершенствованные с помощью программного обеспечения модифицированные профили зубьев шестерен могут оптимизировать рабочие расстояния между центрами, а также рабочие диаметры шага шестерен, что приводит к более прочному комплекту шестерен. Пакеты программного обеспечения позволяют производителям зубчатых колес максимально увеличить производительность без дополнительных затрат.
Эта статья написана инженерами-проектировщиками компании CGI, Inc., 3400 Arrowhead Drive, Carson City, NV, 89706. Для получения дополнительной информации свяжитесь с командой разработчиков по адресу. Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. Посетите веб-сайт CGI на сайтах www.cgimotion.com и www.cgiprecision.com
NASA Tech Briefs Magazine
Эта статья впервые появилась в выпуске NASA Tech Briefs за декабрь 2004 г. Журнал.
Другие статьи из архива читайте здесь.
ПОДПИСАТЬСЯ
Тренинг механиков оборудования для передачи энергии – Тренинг TPC
Урок 1 – Ременные приводы
Темы:
Ремни клиновые; Ремни привода ГРМ и плоские ремни; Связки; Шкивы; Установка
Цели обучения:
– Перечислите факторы, влияющие на мощность, передаваемую ременным приводом.
– Назовите основные компоненты ременной передачи.
– Перечислите стандартные обозначения клиновых ремней.
– Объясните причину использования групповых ремней.
– Описать процедуры установки и замены клиновых ремней.

Урок 2 – Цепные приводы
Темы:
Терминология; Роликовые, двухшаговые, листовые и бесшумные цепи; Литые приводные цепи; Звездочки; Установка
Цели обучения:
– Объясните разницу между цепными и ременными передачами в передаче мощности.
– Объясните, как работает привод роликовой цепи.
– Опишите конструкцию офсетной роликовой цепи.
– Объясните различия между типами звездочек A, B и C.
– Перечислите этапы установки цепного привода.

Урок 3 – Шестерни
Темы:
Определения зубчатых колес и приводы; Контур и диаметральный шаг зуба; Прямозубые, косозубые, одно-, двухзаходные, елочные, конические и червячные передачи; Техническое обслуживание
Цели обучения:
– Определите следующие термины, используемые для описания зубчатых передач: делительная окружность, делительный диаметр, рабочая глубина, поверхность зуба, боковая поверхность зуба.
– Расчет диаметрального шага шестерни.
– Перечислите преимущества и недостатки косозубых шестерен.
– Объясните различия между шестернями типа «елочка» и косозубыми шестернями с двойным вырезом.
– Определите следующие термины, используемые при обсуждении червячных передач: шаг червяка, угол упора червяка, нормальный шаг червяка, осевой шаг червяка.

Урок 4 – Зубчатые передачи
Темы:
Приводы валовые, червячные; Митра-редукторы; Установка зубчатой передачи, обслуживание и определения; Концентрические, параллельные, прямоугольные зубчатые передачи с вертикальным валом
Цели обучения:
– Объясните, как можно добиться дополнительного снижения скорости с помощью редукторов, установленных на валу.
– Опишите червячный привод и угловой редуктор.
– Дайте общее объяснение установки и обслуживания зубчатой передачи.
– Определите механическую мощность, тепловую мощность и перегрузочную способность.
– Объясните, от чего зависит коэффициент использования зубчатой передачи.
– Опишите зубчатую передачу с концентрическим валом и зубчатую передачу с прямоугольным валом.
– Объясните, как смазываются зубчатые передачи с параллельными валами.

Урок 5 – Приводы с регулируемой скоростью
Темы:
Ременные и дисковые регулируемые приводы, роликовые, гидравлические и электрические регулируемые приводы
Цели обучения:
– Определить основные критерии выбора частотно-регулируемых приводов для промышленных предприятий.
– Объясните принцип работы ременного привода с регулируемой скоростью.
– Опишите, как управлять частотно-регулируемыми приводами.
– Опишите ремни и цепи, используемые для частотно-регулируемых приводов.
– Объясните принцип работы вариатора роликового типа.

Урок 6 – Центровка валов
Темы:
Геометрия центровки валов; Подготовка; Обратно-индикаторный метод; Выравнивание нескольких машин; Лицевая кромка, большой пролет и лазерная центровка
Цели обучения:
– Определите поправки, необходимые для центровки двух машин, используя метод обратного индикатора.
– Определите корректировки, необходимые для выравнивания двух машин, используя метод индикатора торцевого обода.
– Определите корректировки, необходимые для выравнивания трех машин по общей средней линии.
– Определите корректировки, необходимые для выравнивания двух машин, разделенных длинным плавающим валом.
– Укажите по крайней мере три преимущества использования лазерного юстировочного оборудования по сравнению с циферблатными индикаторами.

Урок 7 – Устройства сцепления валов
Темы:
Цельнолитые, кулачковые, резиновые, цепные, зубчатые, металлические, дисковые, срезные, ограничивающие крутящий момент, тормозные колеса, плавающие валы, проставки, изолированные и другие муфты
Цели обучения:
– Перечислите три функции, обычно выполняемые муфтой.
– Опишите два типа кулачковых муфт.
– Название приложения для литых резиновых муфт.
– Укажите преимущества цепных муфт.
– Объясните принцип действия муфты со срезным пальцем.
– Опишите муфту ограничения крутящего момента.
– Назовите приложение, в котором используется плавающий вал.
– Опишите поплавковую муфту с ограниченным концом.
– Перечислите преимущества и недостатки проставочных муфт.

Урок 8 – Сцепления и тормоза
Темы:
Муфты кулачковые, фрикционные, ограничивающие крутящий момент, зубчатые, центробежные, обгонные, электрические и жидкостные; Колодка фрикционная, дисковая, электрические тормоза
Цели обучения:
– Объясните назначение сцепления.
– Опишите работу фрикционной муфты.
– Объясните необходимость обгонных муфт.
– Назовите хотя бы одно приложение для электрического сцепления.
– Объясните, как работает гидравлическое сцепление.
Компоненты трансмиссии 201
выровнены Расположены точно по отношению друг к другу. Два выровненных вала параллельны и образуют идеально прямую линию.
допуск соосности Предел допустимого перекоса для упругой муфты.Муфты, соединяющие валы за пределами допуска центровки, могут быстро изнашиваться.
Американский национальный институт стандартов ANSI. Частная некоммерческая организация, которая администрирует и координирует добровольные стандарты и системы. Рейтинги Американского национального института стандартов определяют стандарты проектирования для производителей цепей.
уголки Степень расстояния между двумя линиями, соединенными в одной точке.В угловых зубчатых передачах используются разные углы, чтобы обеспечить максимальное пространство и механическую эффективность.
угловые зубчатые передачи Зубчатая передача, состоящая из шестерен с пересекающимися валами. Угловые зубчатые передачи используют различные конструкции зубчатых колес.
подшипник качения Подшипник с частями качения внутри, поддерживающими движение груза.Подшипники качения также называют подшипниками качения.
якорь Вращающийся компонент, прикрепленный к выходному валу на электромагнитной муфте. Когда сцепление включено, якорь притягивается к ротору под действием магнитной силы.
АКПП Сложная трансмиссия, не требующая переключения передач от оператора.В автоматических трансмиссиях часто используется система из нескольких коробок передач, чтобы изменять скорость и крутящий момент механической энергии.
осевая нагрузка Сила, приложенная параллельно оси подшипника. Осевые нагрузки также называют осевыми или линейными нагрузками.
ось Воображаемая прямая линия, проходящая через центр объекта.Круглый компонент, такой как шестерня, обычно вращается вокруг своей оси.
подшипник шариковый Подшипник качения, содержащий металлические шарики, помещенные между двумя частями. Шарикоподшипник позволяет деталям машины двигаться с небольшим трением.
подшипник Устройство для снижения трения, которое позволяет одной движущейся части скользить мимо другой движущейся части.Подшипники работают с использованием механизма скольжения или качения.
опорные поверхности Площадь соприкосновения двух предметов. Опорные поверхности, такие как те, которые составляют подшипники скольжения, могут быть просто поверхностью цилиндрического отверстия, в котором вращается вал.
система ременного привода Механическая система, состоящая из гибкого ремня и как минимум двух фиксированных шкивов, которая используется для передачи движения.Системы ременного привода не требуют особого обслуживания и смазки.
ремни Полоса из гибкого материала, которая обвивается вокруг двух или более фиксированных шкивов для передачи движения. Ремни изготавливаются из различных материалов и бывают разных типов, например плоские ремни, круглые ремни и клиновые ремни.
шестерня коническая Тип шестерни с конусообразными зубьями, нарезанными под углом.Конические передачи часто используются в угловых зубчатых передачах.
карданный шарнир блок-штифт Самый распространенный тип карданного соединения. Карданный шарнир с блок-штифтом имеет два открытых вала, которые соединены с центральным блоком штифтами.
тормоз Особый тип сцепления, которое замедляет и останавливает передачу мощности.Тормоза взаимодействуют с вращающимся валом и неподвижным элементом, создавая трение.
тормозная колодка Устройство, обычно изготовленное из металла, на фрикционном тормозе, покрытое фрикционным материалом. Тормозная колодка прижимается к ротору во время торможения, препятствуя движению.
тормозной Процесс включения компонентов специальной муфты или тормоза для остановки передачи мощности.При торможении используется трение, чтобы замедлить или остановить передачу мощности и крутящего момента.
клетка Деталь, входящая в состав некоторых подшипников качения, которая разделяет элементы качения, например шарики, и предотвращает их скольжение друг относительно друга. Клетка вращается внутри внутренней и внешней обоймы.
суппорт Механическое устройство, прикрепленное к фрикционному дисковому тормозу, которое содержит ротор и тормозную колодку.Суппорты используют зажимное движение, чтобы прижать тормозную колодку к ротору, создавая трение, препятствующее движению.
холст Прочный материал из плотной ткани, например, хлопка. Брезентовые ремни долговечны и обычно дешевле, чем резиновые.
каретка Секция токарного станка, которая скользит вперед и назад вдоль путей и поддерживает поперечный суппорт и режущий инструмент.Каретка может двигаться в двух направлениях, обычно путем преобразования вращательного движения в линейное.
центральный блок Основание карданного шарнира, к которому крепятся вкладыши вала. Центральный блок на карданном шарнире блок-штифт остается неподвижным, в то время как вал вставляет шарнир в шарниры.
система цепного привода Система, состоящая из цепи и звездочек, которая используется для передачи движения.Цепные приводы не проскальзывают, потому что зубья звездочки зацепляются со звеньями цепи.
цепи Серия взаимосвязанных металлических колец или связанных металлических звеньев. Цепи в механических системах сцепляются с зубьями на звездочках для передачи энергии.
сцепление Устройство, которое управляет передачей мощности между компонентами машины путем включения и выключения двух вращающихся валов.Муфты часто используются для быстрого запуска и остановки передачи мощности в промышленных приложениях.
сцепление Процесс включения компонентов сцепления для передачи мощности. Сцепление также позволяет передавать крутящий момент от входного вала к выходному валу.
катушка Несколько петель из проводящего провода, используемого для создания магнитного поля при прохождении через него тока.Катушки используются в электромагнитных муфтах.
соответствующая муфта Тип эластичной муфты, поглощающей удары. Податливые муфты могут помочь защитить от чрезмерного износа.
коническая Постепенно сужающаяся округлая форма. Зубья некоторых конических шестерен конические.
загрязнение Наличие в смазке посторонних материалов, например грязи. Загрязнение смазочного материала может повредить оборудование.
коррозия Постепенное химическое воздействие на материал атмосферы, влаги или других агентов. Некоторые цепи обладают устойчивостью к коррозии.
муфта Компонент, который соединяет два вала в механической системе для передачи движения. Различные типы муфт могут использоваться для различных применений.
краны Машина для подъема и перемещения очень тяжелых грузов. Краны могут приводиться в движение вручную или автоматически.
Цепь роликовая двухшаговая Роликовая цепь, звенья которой расположены вдвое дальше, чем у стандартной роликовой цепи. Роликовые цепи с двойным шагом менее дороги, но не могут работать так же тихо и быстро, как стандартная цепь.
сверлильный пресс Обрабатывающий инструмент, проникающий через поверхность заготовки и проделывающий круглое отверстие.Сверлильные прессы можно использовать для различных операций по сверлению отверстий.
буровые установки Большая машина для сверления отверстий в земле. Буровые установки часто используются для выемки грунта на стройплощадках или колодцев для добычи подземных полезных ископаемых.
ведущая шестерня Шестерня, которая получает энергию от источника питания через входной вал.Ведущие шестерни передают мощность на ведомые шестерни для выполнения работы.
ведущий шкив Фиксированный шкив в системе ременной передачи, которая получает энергию от источника питания. Ведущий шкив передает энергию ведомому шкиву через ремень.
ведущая звездочка Звездочка в системе цепного привода, которая получает питание от источника питания.Ведущая звездочка передает энергию ведомой звездочке через цепь.
ведомая шестерня Шестерня, которая получает движение от ведущей шестерни машины. Ведомые шестерни часто передают мощность на другой зацепляющий механизм или выходной вал для выполнения работы.
шкив ведомый Фиксированный шкив в системе ременного привода, который получает энергию от ведущего шкива через ремень.Ведомый шкив часто подключается к месту использования, где выполняется работа.
ведущая звездочка Звездочка в системе цепного привода, которая получает энергию от ведущей звездочки. Ведомая звездочка часто присоединяется к выходному устройству, которое выполняет работу.
линейный электродвигатель Машина, преобразующая электричество в механическую энергию или движение.Линейные двигатели иногда называют линейными приводами.
электродвигатель Машина, преобразующая электричество в механическую энергию или движение. Электродвигатель – это обычный источник энергии для механической системы.
электроэнергия Энергия, создаваемая движением электронов.Электрическая энергия может быть преобразована в свет, тепло или движение.
муфта электромагнитная Бесконтактная муфта, использующая магнитные силы для передачи мощности между входным и выходным валами. Электромагнитные муфты используются в некоторых автоматизированных механизмах и обеспечивают быстрое срабатывание.
электромагнитные силы Энергия магнитного поля, создаваемого электрическим током.Электромагнитные силы используются для передачи энергии и крутящего момента в электромагнитной муфте.
электронные дрели Инструмент, который закручивает винты и делает отверстия. Электронные дрели используют компоненты трансмиссии для изменения скорости и направления вращения.
энергия Способность или способность выполнять работу.Энергия, которая никогда не создается или не разрушается, может быть потенциальной или кинетической и может проявляться как электрическая, механическая, тепловая или химическая энергия.
Двигатели внешнего сгорания Тип двигателя, в котором топливо сжигается вне двигателя. К двигателям внешнего сгорания относятся паровые двигатели и двигатели Стирлинга.
особенности Проектные спецификации компонента, предназначенные для определенных функций или расширенных возможностей.Различные характеристики подшипников скольжения обеспечивают разные функциональные преимущества.
фиксированные шкивы Круглое устройство, которое используется в системах ременной передачи для передачи движения. Фиксированные шкивы вращаются вокруг неподвижной оси.
фиксированные шкивы Устройство, состоящее из колеса, жестко прикрепленного к валу, которое используется с ремнем для передачи энергии и движения другому неподвижному шкиву.Все ременные передачи содержат как минимум два неподвижных шкива.
фланцы Выступающий обод или край. Фланцы на входном и выходном валах положительного сцепления передают энергию через блокирующие зубья.
плоский ремень Ремень, состоящий из плоской петли материала, используемой для передачи движения между двумя шкивами.Плоские ремни могут быть изготовлены из различных материалов, таких как резина, холст, пластик или гибкие металлы.
гибкий Способность сгибаться или изгибаться. Некоторые муфты могут изгибаться, чтобы соединить несоосные валы.
эластичная муфта Тип муфты, которая может соединять выровненные валы или изгибаться для установки валов, которые слегка смещены.Гибкие муфты имеют ограниченный допуск на перекос.
сила Влияние, такое как толчок или притяжение, которое вызывает изменение движения или состояния покоя объекта. Силы имеют определенные направления и величины.
погрузчики вилочные Тип механической промышленной тележки с двумя зубцами спереди для подъема поддонов с материалом.Вилочные погрузчики – один из самых распространенных типов PIT.
трение Сопротивление между контактными поверхностями двух предметов. Трение необходимо в системе ременного привода для передачи движения.
муфта фрикционная Самый распространенный тип сцепления, используемый в механических системах.Фрикционная муфта состоит из двух дисков, каждый из которых соединен с собственным валом, которые можно заставить вместе передавать энергию.
фрикционные материалы Смесь веществ, связанных с дисками сцепления или тормозными колодками для уменьшения износа компонентов сцепления и тормозов. Фрикционные материалы фрикционного диска сцепления обычно связаны с диском входного вала.
валы шестерни Цилиндрический стержень, используемый для поддержки и вращения шестерен.Валы шестерен соединяют шестерни с другими компонентами, чтобы передавать вращательное движение через механическую систему.
Переключение передач Механизм, позволяющий оператору механической коробки передач перемещать шестерни в различные положения. Изменение комбинации передач изменяет скорость и крутящий момент механической энергии.
зубчатые передачи Система шестерен, используемая для передачи вращательного движения от одной части механической системы к другой.Зубчатые передачи содержат две или более зубчатых передачи.
коробка передач Замкнутая система собранных шестерен, передающая механическую энергию от первичного двигателя к выходному устройству. Коробка передач также может изменять скорость, направление или крутящий момент механической энергии.
шестерни Круглый или цилиндрический механический элемент с зубьями, который используется для передачи энергии.Шестерни предназначены для зацепления друг с другом и могут изменять скорость, крутящий момент или направление механической энергии.
смазка Обычно используемый полутвердый промышленный смазочный материал, состоящий из масла и химического мыла или другой присадки. Смазка часто используется в приложениях, требующих больших нагрузок.
тепловой двигатель Устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую или электрическую.Тепловой двигатель – это тип первичного двигателя.
косозубая шестерня Тип шестерни со скошенными зубьями. Цилиндрические шестерни тише, чем прямозубые, но они дороже и создают боковые нагрузки.
угол винтовой линии Угол между осью косозубой шестерни и воображаемой линией, касательной к зубцу шестерни.Углы винтовой линии могут варьироваться от 0 до 90 градусов.
корпус Защитная крышка, предназначенная для удерживания или поддержки механического компонента. Корпуса могут использоваться для закрытия зубчатых передач.
промежуточные шестерни Шестерня, которая используется для сохранения постоянного направления движения ведущей шестерни и ведомой шестерни.Промежуточные шестерни влияют только на направление и не изменяют скорость и крутящий момент между ведущей и ведомой шестернями.
устройство ввода Компонент передачи энергии, который получает механическую энергию от первичного двигателя. Устройства ввода, такие как входные валы, начинают двигаться в ответ на получение механической энергии, которая инициирует передачу энергии.
входной вал Вращающийся вал, на который подается энергия от источника питания.Входные валы вводят мощность в механические системы.
двигатели внутреннего сгорания Тип двигателя, в котором топливо сжигается внутри двигателя. Двигатели внутреннего сгорания включают газовые турбины и типы дизельных двигателей.
пересечение Процесс встречи, пересечения или перекрытия.Пересекающиеся линии образуют форму «X».
цепь с перевернутыми зубьями Тип цепи с зубьями на звеньях, которые входят в зацепление с зубьями на звездочках цепного привода. Цепь с перевернутыми зубьями или бесшумная цепь работает тихо и плавно.
станок токарный Станок, обычно используемый для создания цилиндрических форм.Токарный станок удерживает цилиндрическую заготовку на одном или обоих концах, в то время как режущий инструмент постепенно проходит по поверхности вращающейся части.
кожа Ткань из воловьей кожи, стойкая к жаре и другим опасностям. В настоящее время кожа используется для изготовления ремней для ременных приводов реже, чем в прошлом.
линейное перемещение Движение по прямой.Линейное движение в механических системах часто создается с помощью компонентов передачи энергии, предназначенных для преобразования вращательного движения.
соединительные пластины Плоская поверхность на каждой стороне звена цепи, соединенная штифтами звена. Соединительные пластины используются для образования связанных звеньев цепи.
звеньев Единое звено цепи, обычно скрепляемое булавками и зажимами.Отдельные звенья цепи сцепляются с зубьями звездочки.
нагрузка Количество силы или давления, оказываемого на компонент или систему. Ременные приводы могут выдерживать ряд легких и тяжелых нагрузок.
смазка Вещество, используемое для уменьшения трения между двумя поверхностями при относительном движении.Обычные смазочные материалы, используемые в промышленности, включают масла и консистентные смазки.
смазка Нанесение вещества для уменьшения трения и износа между двумя поверхностями при относительном движении. Для смазки обычно используются масло и консистентная смазка.
станки Устройство, состоящее из двух или более частей, преобразующих энергию в движение.Машины используются для передачи или изменения силы и движения с целью выполнения некоторой полезной работы.
обрабатывающий центр Сложный и точный станок с числовым программным управлением (ЧПУ), который может выполнять фрезерные, сверлильные, нарезные и расточные операции в одном месте с помощью различных инструментов. Обрабатывающий центр использует трансмиссию для изменения скорости вращения и направления обрабатывающих инструментов.
МКПП Тип трансмиссии, требующий от оператора переключения передач вручную для изменения скорости и крутящего момента механической энергии. Некоторые промышленные машины используют ручную коробку передач для поддержки диапазона рабочих скоростей.
механическая энергия Энергия, используемая для выполнения работы за счет физического взаимодействия и движения инструментов или компонентов машин.Механическую энергию можно производить разными способами.
механическая система Набор машин, работающих вместе для выполнения полезной работы. В механических системах используется широкий спектр компонентов передачи энергии.
сетка Акт блокировки с другим объектом.Шестерни предназначены для зацепления друг с другом для передачи механической энергии.
металлы Твердый, прочный материал с высокой электрической и теплопроводностью. Примеры металлов включают медь, железо, никель и свинец.
смещено Расположен со смещением или углом.Смещенные валы могут быть соединены с помощью гибкой муфты или универсального шарнира в зависимости от степени несовпадения двух валов.
угловой редуктор Тип конической шестерни, используемой в паре с пересекающимися валами под углом 90 °. В наборах угловых шестерен ведущая и ведомая шестерни имеют одинаковый диаметр и количество зубьев.
никель Серебристо-белый металл, устойчивый к коррозии.Некоторые цепи покрыты никелем для защиты от коррозии.
непересекающиеся Процесс оставаться отдельными и не встречаться, пересекаться или перекрываться. Непересекающиеся линии параллельны друг другу.
масло Скользкая жидкость, обычно используемая в качестве промышленной смазки.Масло часто используется в высокоскоростных приложениях.
оператор Человек, обученный ежедневному использованию определенного типа машины. Оператор должен переключать передачи в механической коробке передач.
выходное устройство Компонент передачи энергии, выполняющий механическое действие.Устройство вывода получает энергию от источника энергии через передачу энергии.
выходной вал Вращающийся вал, на который подается энергия от механической системы. Выходные валы передают мощность от механической системы к выходному источнику.
параллельно Две линии или оси, которые равноудалены друг от друга во всех точках по своей длине и поэтому никогда не пересекаются.Многие зубчатые передачи работают с параллельными валами шестерен.
периметр Расстояние вокруг объекта снаружи. Периметр круга также известен как его окружность.
перпендикулярно Две линии или оси, которые пересекаются, образуя прямые углы.Некоторые угловые зубчатые передачи работают с перпендикулярной ориентацией вала шестерни.
шестерня Круглая шестерня, используемая в реечной системе для линейного движения. Когда шестерня вращается, плоская рейка скользит в линейном направлении.
шпильки Тонкое металлическое крепление.Штыри можно использовать для соединения нескольких различных компонентов.
шаг Мера расстояния между звеньями цепи. Шаг влияет на длину звеньев цепи.
подшипник скольжения Тип подшипника, в котором используется скользящее движение для уменьшения трения.Подшипники скольжения – самая простая конструкция подшипников.
подшипник упорный скольжения Типа упорного подшипника, состоящий из двух частей: а зажатый нижней секцию, которая уменьшает трение и вмещает смазку, и вращающийся верхний участок. Упорные подшипники скольжения часто используются вместе с другими подшипниками скольжения, например, в коленчатых валах.
планетарные передачи Зубчатая передача, состоящая из одной или нескольких внешних шестерен, вращающихся вокруг центральной шестерни.Планетарные зубчатые передачи также известны как планетарные зубчатые передачи.
пластик Легкий материал, который обычно устойчив к коррозии и легко поддается обработке. Ремни из пластика могут быть изготовлены из различных материалов для самых разных целей.
покрытие С покрытием или тонким слоем металла.Цепи могут быть покрыты различными металлами для повышения долговечности и устойчивости к коррозии.
точка использования Часть механической системы, в которой выполняется работа. Все механические системы выполняют ту или иную работу в точке использования.
муфта принудительного действия Муфта, состоящая из двух сопрягаемых поверхностей с соединительными элементами, такими как зубья, которые сцепляются вместе во время зацепления.Положительные муфты не проскальзывают во время работы так сильно, как фрикционные муфты.
мощность Скорость, с которой работа выполняется за определенный период времени. Мощность выражается как количество выполненной работы, деленное на время, необходимое для ее выполнения.
источник питания Устройство, используемое для выработки энергии, необходимой машине для выполнения работы.Источники питания включают батареи, электродвигатели и генераторы.
трансмиссия Движение энергии от источника к устройству вывода, которое выполняет работу. Передача энергии может осуществляться механическими, электрическими и жидкостными системами.
тягач Устройство, которое принимает один тип энергии, преобразует ее в механическую энергию и передает ее механической системе.Первичные двигатели включают электродвигатели, тепловые двигатели, турбины и линейные электродвигатели.
рас Наружное и внутреннее кольца подшипника качения, закрывающие механизмы качения. Гонки бывают зубчатыми, желобчатыми или плоскими.
стойка Плоский стержень с зубьями, используемый в системе реечной передачи для обеспечения линейного движения.Стойки скользят в линейном направлении, когда против них вращаются круглые шестерни.
зубчатая рейка Зубчатая пара, которая используется для преобразования вращательного движения в поступательное. Рейка и шестерня состоят из круглой шестерни или шестерни, которая входит в зацепление с зубчатым стержнем или рейкой.
радиальные нагрузки Сила, приложенная перпендикулярно оси вала подшипника.Радиальные нагрузки также называют вращательными.
оценки Число или класс, основанный на заранее установленных операционных стандартах. Рейтинги промышленных цепей основаны на стандартных измерениях и на ряде факторов, связанных с работой и производительностью.
фиксирующий зажим Застежка, используемая для крепления частей звена цепи.Стопорный зажим также известен как пружинный зажим.
муфта жесткая Тип муфты, используемый для соединения выровненных валов. Жесткая муфта – самый простой вид муфты.
цепь роликовая Самый распространенный тип цепи, используемый в промышленности.Роликовая цепь может использоваться на высоких скоростях.
подшипник качения Подшипник с частями качения внутри, поддерживающими движение груза. Подшипники качения также называют подшипниками качения.
вращательное движение Вращательное или поворотное движение, которое происходит вокруг оси без изменения линейного положения.Вращательное движение создается многими первичными двигателями и компонентами передачи энергии.
ротор Вращающийся компонент, прикрепленный к входному валу на электромагнитной муфте. При включении сцепления ротор намагничивается.
резина Эластичный материал из латексного сока каучукового дерева.Резина обычно используется в ремнях из-за ее способности противостоять воде и другим условиям.
уплотнение Устройство, используемое с подшипниками для удержания смазки и предотвращения загрязнения. Уплотнения могут быть повреждены, если не использовать надлежащую смазку, что приведет к сокращению срока службы.
зубчатые ременные передачи Ременный привод, который включает более двух фиксированных шкивов и требует ремня, который может проворачиваться по углам.Для многих змеевидных ременных приводов требуются гибкие ремни, например плоские.
срок службы Период времени, в течение которого промышленный компонент должен находиться в эксплуатации до замены. Срок службы подшипников можно продлить за счет надлежащей смазки и технического обслуживания.
вал Цилиндрическая штанга, используемая для поддержки вращающихся компонентов механической системы.Валы также передают механическую энергию и движение.
амортизатор Резкая сила удара, вызванная внезапным ускорением, замедлением или столкновением. Удар может вызвать повреждение механических компонентов системы.
боковая нагрузка Сила, которая толкает вбок к оси вращающегося вала шестерни, когда шестерни входят в зацепление под углом.Боковая нагрузка может привести к деформации и износу.
бесшумная цепь Тип цепи с зубьями на звеньях, которые входят в зацепление с зубьями на звездочках цепного привода. Бесшумная цепь или цепь с перевернутыми зубьями работает тихо и плавно.
слип Состояние, которое возникает, когда нагрузка заставляет ремень соскальзывать с правильного положения на шкиве.Скольжение чаще всего встречается в конструкциях с плоскими ремнями.
скорость Скорость, с которой перемещается объект. Скорость рассчитывается путем деления пройденного расстояния на прошедшее время.
шпиндель Вращающийся компонент станка, например сверлильного станка или фрезы.Многие шпиндели приводятся в действие зубчатыми передачами.
пружинный зажим Застежка, используемая для крепления частей звена цепи. Пружинный зажим также известен как фиксирующий зажим.
звездочки Колесо с металлическими зубьями, которые входят в зацепление со звеньями цепи. Звездочки используются в цепных приводах для передачи движения.
прямозубая шестерня Тип шестерни с прямыми зубьями с плоской вершиной, расположенными параллельно валу. Цилиндрические зубчатые колеса – самые распространенные промышленные зубчатые колеса.
нержавеющая сталь Легированная сталь, стойкая к коррозии. Цепи из нержавеющей стали используются при работе в критических санитарных условиях.
стандарты Заранее определенное значение или спецификация для проектирования или эксплуатации. Промышленные цепи производятся в соответствии со стандартами, установленными Американским национальным институтом стандартов.
площадь поверхности Общая площадь всех внешних поверхностей объекта.Площадь поверхности объекта рассчитывается по-разному в зависимости от формы объекта.
зубчатый ремень Зубчатый ремень, входящий в зацепление с канавками шкива синхронно-ременной передачи. Ремни синхронизатора или зубчатые ремни поддерживают постоянную скорость во время передачи мощности, и они не проскальзывают.
конический Постепенно уменьшаются в размерах от одного конца объекта к другому.Зубья конической шестерни обычно имеют наибольшую ширину в наружной части.
натяжение Сила тяги, которая направлена от объекта и пытается переместить, растянуть или удлинить объект. Системы ременного привода должны работать с надлежащим натяжением для эффективной передачи мощности.
тепловая энергия Форма энергии, возникающая в результате движения частиц, которая передается в виде тепла.Тепловая энергия может быть преобразована в другие формы энергии, такие как механическая энергия.
ниток Длинный спиральный выступ вокруг внешней или внутренней части объекта цилиндрической формы. Нити используются для закрепления или обеспечения движения.
ниток Выпуклый спиральный гребень вокруг внутренней или внешней части объекта цилиндрической формы.Резьба на червячной сетке с зубьями на червячной передаче для передачи энергии.
подшипник шариковый упорный Тип шарикоподшипника, специально разработанный для восприятия осевой нагрузки. В упорных шарикоподшипниках вместо внутренних и внешних колец используются шайбы для удержания клетки.
подшипник упорный Тип подшипника, предназначенный для уменьшения трения за счет осевых или осевых нагрузок.Упорные подшипники могут быть подшипниками скольжения или качения.
Хомут упорный Компонент, часто соединенный с упорным подшипником для поддержки осевой нагрузки. Упорные кольца обычно используются с упорными подшипниками скольжения.
осевая нагрузка Сила, приложенная параллельно оси подшипника.Осевые нагрузки также называют осевыми или линейными.
ремень ГРМ Зубчатый ремень, входящий в зацепление с канавками шкива синхронно-ременной передачи. Ремни ГРМ или зубчатые ремни поддерживают постоянную скорость во время передачи мощности и не проскальзывают.
крутящий момент Сила, вызывающая вращение.Шестерни могут передавать высокий крутящий момент.
гидротрансформатор Устройство, передающее энергию от источника питания к компонентам передачи. Преобразователи крутящего момента используются в автоматических трансмиссиях вместо ручного сцепления.
тяга Способность компонента прикладывать захватывающую или тянущую силу за счет трения.Тяговое усилие позволяет ременным приводам сцепляться с ведомыми шкивами для передачи механической энергии.
трансмиссия Машина, в которой используется комбинация шестерен и других механических компонентов для изменения скорости или крутящего момента механической энергии. Некоторые передачи также могут изменять направление механической энергии.
Карданный шарнир Тип муфты, используемый для передачи мощности между валами, которые слишком далеко отцентрированы, чтобы их можно было соединить с помощью гибкой муфты.Карданный шарнир также известен как универсальный шарнир.
карданный шарнир Тип муфты, используемый для передачи мощности между валами, которые слишком далеко отцентрированы, чтобы их можно было соединить с помощью гибкой муфты. Универсальный шарнир также известен как карданный шарнир.
Ремень клиновой Ремень с плоским дном и сужающимися сторонами, который передает движение между двумя шкивами.Несколько клиновых ремней часто используются вместе для увеличения несущей способности.
Шкив клиноременной Шкив с канавками для крепления клинового ремня. Шкивы клинового ремня могут быть рассчитаны на использование одного или нескольких клиновых ремней.
шайба Тонкий диск с отверстием посередине, используемый для поддержки нагрузки при использовании подшипников или креплений.Шайбы используются для опоры упорных шарикоподшипников.
износ Эрозия материала в результате трения. Цилиндрические шестерни из-за боковых нагрузок изнашиваются быстрее, чем другие шестерни.
работа Результат силы, приложенной к объекту на расстоянии.Работа в механических системах осуществляется за счет передачи энергии и движения.
рабочий стол Компонент станка, который поддерживает заготовку и любые зажимные приспособления во время обработки. В рабочих столах используются подшипники для уменьшения трения между контактирующими поверхностями.
червяк Цилиндрический вал в форме винта, который используется с червячной передачей для передачи движения.Червяки могут быть спроектированы так, чтобы соответствовать прямозубым или косозубым зубьям шестерни.
червячная передача Шестерня с зубьями, которые входят в зацепление с винтовой резьбой вала, называемая червяком, для передачи движения. Червячные передачи обычно представляют собой ведомые шестерни в червячных передачах.
червячные передачи Червячная передача, используемая в сочетании с червяком.Червячные передачи используются для передачи мощности между непересекающимися валами под прямым углом друг к другу.
Компоненты передачи энергии – излишки, новые и бывшие в употреблении
Компоненты передачи энергии или компоненты привода – это механические или электромеханические устройства, используемые в системах привода для передачи мощности (энергии в движение) и часто управления скоростью, силой и направлением движения. Компоненты трансмиссии включают муфты, шестерни и ремни.Вы можете дополнительно уточнить свой конкретный поиск, используя категорию (и) ниже:
Приводы с регулируемой скоростью изменяют скорость ведомого вала до скорости, выбранной оператором.
Ремни ГРМ с английским шагом – это ремни, которые соединяются с синхронизирующими шкивами такого же шага в системах передачи энергии.
Шкивы синхронизации с английским шагом имеют шаг или шаг, основанный на дюймах (дюймах.) измерения.
Устройства, которые используются для соединения двух вращающихся валов на концах друг с другом с целью передачи энергии, при этом допускаются некоторая степень несовпадения, смещение концов или и то, и другое.
Механические вращающиеся детали машин с нарезанными зубьями или зубьями, которые передают мощность и движение между осями или валами.
Натяжные шкивы используются для компенсации провисания, изменения направления трансмиссии или обеспечения сцепления.
Ремни ГРМ с метрическим шагом – это приводные ремни, которые соединяются с синхронизирующими шкивами такого же шага в системах передачи энергии.
Шкивы синхронизации с метрическим шагом имеют интервал или шаг, основанный на миллиметрах (мм).
Жесткие муфты соединяют вращающиеся элементы, такие как валы, для передачи крутящего момента и движения.
Вращающиеся валы представляют собой удлиненные детали цилиндрической формы, которые вращаются на продольной оси и используются для передачи крутящего момента.
Замки ступицы вала – это устройства, которые с помощью трения зажимают компоненты на валу без необходимости использования резьбы или шпонок.
Шлицевые валы имеют канавки или выступы, обработанные по всей длине.
Универсальные шарниры – это гибкие механические соединения, используемые для передачи вращательного движения в смещенных валах.
Шкивы и шкивы клинового ремня имеют одну или несколько канавок и предназначены для универсальных трансмиссий.

Вид взаимодействия	Принцип действия	Тип срабатывания	Метод работы
Муфты принудительного привода	Муфты замыкающие	Гидравлическое управление	Муфты сухие
муфты фрикционные	Муфты размыкающие	Пневматический	Мокрое сцепление
		Механический
		Муфты электромагнитные

Устройства для передачи энергии: Как осуществляется передача электрической энергии?

Урок 12. преобразование и передача электроэнергии – Естествознание – 11 класс

Беспроводная передача энергии большой мощности для устройств, работающих в условиях индустриальной среды

Конденсатор колебательного контура: особенности выбора

Индуктивности фильтра: особенности выбора

К вопросу выбора МОП-транзисторов

Диоды и схема подтяжки

Возможные проблемы, которые необходимо учитывать при разработке резонансного преобразователя

Оптимизация окружающей среды катушек WPT

Пример решения

Заключение

Беспроводной способ передачи электроэнергии. Новейший кейс применения разработки компании Emrod

3 способа беспроводной передачи энергии

Статьи по теме

Устройство передачи энергии, способ управления устройством передачи энергии и система передачи энергии

Способы передачи электроэнергии беспроводными методами

Напечатанная на 3D-принтере антенна способна превращать сигнал 5G в электроэнергию

Механическая передача энергии | Инженерное проектирование продуктов

Что такое механическая передача энергии?

Зачем нужна механическая передача энергии?

Элементы механической передачи энергии

Преимущества элементов передачи энергии

Типы элементов механической передачи энергии

Валы и муфты

Валы

Муфты

Винты силовые

Шестерни и зубчатые передачи

Тормоза и сцепления

Сцепления

Важные моменты, которые следует учитывать

Тормоза

Ремни, канаты и шкивы

Цепи и звездочки

Взгляд на технологию ремней, цепей и зубчатых передач

Руководство по механической передаче энергии

1. Как работают механические силовые передачи?

Ассортимент механических приводов

2. Ременные передачи

Типы ременных передач

Привод клиноременной

Привод зубчатый

Расчет отношения скоростей

Использование ременной передачи

Преимущества использования ременной передачи

Недостатки ременной передачи

3. Цепные приводы

Использование цепного привода

4. Муфты валов

Использование муфты вала

Различные муфты вала

Преимущества

Недостатки

5. Зубчатые передачи

Расчет отношения скоростей

Использование зубчатой ​​передачи

Преимущества

Недостатки

Свяжитесь с нашими специалистами

Подробнее о трансмиссии

Как выбрать подходящий подшипник?

Как использовать сальники с подшипниками

Передача мощности для управления движением

Входная мощность

Выходная мощность

Опции

Программное обеспечение

NASA Tech Briefs Magazine

Тренинг механиков оборудования для передачи энергии – Тренинг TPC

Урок 1 – Ременные приводы

Темы:

Цели обучения:

Темы:

Цели обучения:

Темы:

Цели обучения:

Темы:

Цели обучения:

Темы:

Цели обучения:

Использование зубчатой передачи