938MeV Oct 30 2017 at 13:55

Беспроводная передача энергии через магнитно-связанные индуктивные катушки

6 min

29K

PhysicsElectronics for beginners

From sandbox

+39

Comments 48

Sdima1357 Oct 30 2017 at 14:41

А резонанс не поможет?

Sdima1357 Oct 30 2017 at 15:09

Из Википедии:
"
Использование резонанса несколько увеличивает дальность передачи. При резонансной индукции передатчик и приёмник настроены на одну частоту. Производительность может быть улучшена ещё больше путём изменения формы волны управляющего тока от синусоидальных до несинусоидальных переходных формы волны. "

mayorovp Oct 30 2017 at 15:18

Резонас тут уже используется. Неявно и с самого начала. Потому что при разных частотах активно использующееся тут понятие "импеданс" не имеет смысла.

AntonSt Oct 30 2017 at 15:59

По-моему, "импеданс" будет иметь смысл при любой фиксированной частоте, не обязательно резонансной.

mayorovp Oct 30 2017 at 16:01

Читайте комментарий выше, там все написано.

Sdima1357 Oct 30 2017 at 16:59

то mayorovp
«Резонас тут уже используется»
Спасибо, я понял, что он возникает неявно при оптимизации параметров, просто в статье этого не было указано явно. (сейчас указано)

938MeV Oct 30 2017 at 17:04

У меня эта цитата из Википедии вызывает одни сомнения. Уж не знаю, как несинусоидальные формы сигналов могут улучшить «производительность».

Sdima1357 Oct 30 2017 at 17:05

И я не знаю :(

Sdima1357 Oct 30 2017 at 17:12

Видимо вот отсюда:

РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ СИСТЕМЫ БЕСКОНТАКТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ ПИТАНИЯ ИМПЛАНТАТОВ

ftf.kubsu.ru/htmlfiles/raspis/tom2.pdf

Nataly75 Nov 3 2017 at 09:17

Как раз на столе аж 4 пояса от пульсометров. Частота 5 кГц. Стреляют метра на полтора. 3в батарейки хватает года на 2 (в зависимости от использования).

artskep Oct 30 2017 at 17:44

Возможно это отзвук борьбы правок фриков.
Буквально недавно на местном форуме на такого натолкнулся — там и «вихри» и «катушки Мишина», которые лечат рак… И там было что-то про про М-фазу, особый смысл меандра…

Вобщем полный набор фрика в одном флаконе вкупе с полной безграмотностью в измерениях (подключить параллельно генератор, осциллограф и «катушку», и смотреть на графики — я, конечно, уже давно забыл курс метрологии, но уверен, что при такой схеме меня бы сразу на пересдачу направили бы).

938MeV Oct 30 2017 at 15:21

Да. Катушки с конденсаторами как раз и настраиваются в резонанс. С одной стороны, кажется очевидным. Но вот выясняется, что есть и другие решения.

DEM_dwg Oct 30 2017 at 15:06

Привет!
Вопрос, такой а можно ли будет использовать в качестве провода соединяющего катушки, медный лист. Т.е. сделать питание машинки с помощью одной шины которая будет соприкасаться с медным листом.

mayorovp Oct 30 2017 at 15:14

Его можно вовсе не использовать.

938MeV Oct 30 2017 at 15:26

mayorovp прав. Медная шина не нужна

DEM_dwg Oct 30 2017 at 15:31

Т.е. от связи катушек можно будет полностью избавиться???
Но зачем же тогда они у вас на схеме соединены?

Sdima1357 Oct 30 2017 at 15:42

Как я понимаю для упрощения подсчетов. На результат влиять не должно.

938MeV Oct 30 2017 at 16:02

Эта схема — эквивалентная. Она используется только для расчета. Реальная схема — та, что выше. Точно так же и в симуляциях. Симулятор выдает ошибку, если нет общей земли. Но в реальности общая земля не нужна.

DEM_dwg Oct 30 2017 at 16:06

ХММ.
Есть еще Вилка Авраменко, может и её смоделируете…

938MeV Oct 30 2017 at 16:16

А есть ссылка на какой-нибудь ресурс, где о ней толково написано?

DEM_dwg Oct 30 2017 at 16:19

Например вот тут…
geektimes.ru/post/279684

UFO just landed and posted this here

938MeV Oct 30 2017 at 16:03

Каких именно уравнений?

UFO just landed and posted this here

Victor_koly Oct 30 2017 at 16:23

А можете теперь для указанных соотношений индуктивностей объяснить, при каких условиях выполняется это:
x_1 = x_2 =-x_3
Или может там для возможности такого импеданса нужны какие-то емкости ещё в цепи?

938MeV Oct 30 2017 at 16:25

Было немножко неясно в статье написано. Уже исправлено. Нужно добавить в контур каждой катушки по конденсатору, настроенному в резонанс с собственной индуктивностью катушки. Более точно: нужно избавиться от реактивного сопротивления, какое бы оно ни было, и в ресивере, и в трансмиттере.

FarsenaL Oct 30 2017 at 16:38

Серьёзный аналитический подход. Не пробовали с FEM-расчетом сравнить и проверить на сколько сложнее/проще, точнее/ресурсозатратнее получается?

938MeV Oct 30 2017 at 16:49

Не пробовал, но думаю, что FEM был бы полезен для конкретных геометрий катушек и их взаимных положений. С помощью FEM можно аккуратно посчитать индуктивности и коэффициент связи. А дальше все то же самое, насколько я понимаю.

FarsenaL Oct 30 2017 at 18:41

Если будет нужна помощь с FEM-расчетом — обращайтесь, постараюсь помочь

938MeV Oct 31 2017 at 02:21

Благодарю. Запомню ваше предложение

Alyoshka1976 Oct 30 2017 at 16:46

Все очень интересно, но исправьте, пожалуйста, фамилию немецкого электротехника в тексте статьи на правильную.

938MeV Oct 30 2017 at 16:52

Спасибо за замечание. Исправил.

vanxant Oct 30 2017 at 18:14

С пунктом 3 рекомендаций (про увеличение частоты) точно не ошиблись? В формуле для p₂ в числителе вторая степень x₃, и соответственно, частоты, а в знаменателе уже четвёртая.
Ну и в целом эта рекомендация кажется контр-интуитивной. С ростом частоты растёт сопротивление катушек, а значит и потери на них. Разве нет?

938MeV Oct 31 2017 at 02:20

Это очень хороший вопрос! Если повысить частоту, то реактивные сопротивления возрастут. Возрастет и сопротивление связи x₃. Если удастся сделать его достаточно большим (x₃² > r₁r₂), то можно будет использовать решение #2 или #3, и уже передавать активную мощность (p₂ = |u₁|²/4r₁), что вообще не зависит от x₃!

HOMPAIN Oct 31 2017 at 02:33

На индуктивностях потерь не бывает(не считая излучения магнитного поля, но оно мизерное на таких частотах). Они схожи по смыслу с конденсаторами, только накапливают ток, а потом выдают его обратно.

За один цикл колебания поля передаётся одинаково количество энергии, не зависимо от частоты. Соответственно чем выше частота, тем больше циклов на единицу времени, больше переданной энергии. А потери на сопротивлении катушки всегда постоянны.

То что с ростом частоты растёт импеданс катушки по факту не на что не влияет. Никто не запрещает просто увеличить напряжение, что бы через цепь тёк тот же ток.

GermanRLI Oct 31 2017 at 16:19

В идеальных индуктивностях, которые в приблизительных расчетных моделях — не бывает.
В реальных индуктивностях вылезают межвитковые ёмкости (в результате у реальной катушки есть собственная резонансная частота, после которой импеданс, наоборот падает), активное сопротивление, на высоких частотах — ещё и скин-эффект, который активное сопротивление увеличивает, на больших токах и, следовательно сильных полях — насыщение в сердечнике, ну и нагрев провода, который ещё больше увеличит активное сопротивление.

Так что с ростом частоты — потери в катушке растут.

VIK52 Oct 30 2017 at 20:48

Как же меня бесит эти "ограничевается" и "велечина" в таких текстах

938MeV Oct 31 2017 at 02:24

Мои извинения. Сейчас исправлю

armature_current Oct 31 2017 at 02:25

Ваша конечная формула для мощности на приемнике в пределе при выполнении советов 1 и 3 дает обратную зависимость от взаимоиндуктивности в квадрате (если произведение активных сопротивлений r1 и r2 будет гораздо меньше индуктивного сопротивления х3), т.е. выводы противоречат полученному выражению максимума мощности. И с каждым последующим увеличением частоты или количества витков, что в обоих случаях приводит к увеличению индуктивного сопротивления еще больше будет приводить к противоречию.

938MeV Oct 31 2017 at 02:40

Все верно. Дело в том, что p₂(x₃) — это функция, у которой есть экстремум. Я предположил, что в большинстве реальных ситуаций, мы подбираемся к этому экстремуму слева, то есть должны увеличивать x₃. Наверно, такое предположение слегка опрометчиво. Добавлю в статью исследование функции p₂(x₃).

armature_current Oct 31 2017 at 09:03

Спасибо за оперативные пояснения. Вопрос в продолжение дискуссии. Верно ли утверждение, что при условии принятых допущений (в силу указанных элементов схемы замещения) максимальное значение передаваемой мощности через трансформатор не превышает 2,5%? Я вроде бы смотрю, но в схеме замещения нигде не вижу оговорок про магнитные свойства среды, в которой осуществляется передача энергии и естественно прихожу к выводу, что полученное выражение распространяется на все возможные варианты, в том числе и на обычный трансформатор с магнитным сердечником. Уточните пожалуйста конечный результат, при каких условиях он получен

938MeV Oct 31 2017 at 09:48

По формулам получается p₂ = |u₁|²/4r₁. Если я нигде не ошибся — выходит что так. Это максимально возможная мощность. Магнитные свойства среды не влияют, если пренебречь потерями на перемагничивание и вихревыми токами в среде. Добавлением магнитного сердечника (в первом приближении) вы просто увеличиваете индуктивную связь k.
Иными словами, формулы должны работать для любого трансформатора как с, так и без магнитного сердечника.

e-zig Nov 4 2017 at 15:45

Автору спасибо за труд.

"Таким образом, вышеозначенная формула представляет абсолютный теоретический предел переданной активной мощности при любых условиях."
Можно уточнить, о каких условиях идет речь?

938MeV Nov 4 2017 at 15:56

Благодарю за положительный отзыв
Условия — это любые параметры задачи: геометрия катушек и их расположение, количество витков, наличие/отсутствие магнитного сердечника, — и все это учитывается по сути лишь одним параметром — коэффициентом связи. Иными словами можно сказать так: при любом коэффициенте связи невозможно передать мощность больше, чем p₂ = |u₁|²/4r₁

e-zig Nov 8 2017 at 18:56

А какими средствами можно достичь этого предела (передаваемой мощности) имея фиксированный коэффициент связи между катушками?

938MeV Nov 9 2017 at 04:03

Повышать частоту, так чтобы x3^2 > r1*r2 и одновременно подстраивать емкости C1 и C2, чтобы получалось решение 2.

Когда повышаете частоту, имейте ввиду, что есть ограничение сверху, связанное со скин-эффектом. Если частота будет слишком большой, то r1 и r2 тоже будут расти.

e-zig Nov 10 2017 at 12:03

То есть по сути, имея слабо связанные катушки (как в вашем последнем примере) можно, не увеличивая эту связь, а подобрав частоту и настроив контура можно передать те же 25% мощности что и при хорошо связанных катушках?

938MeV Nov 10 2017 at 14:31

Да. Но при этом мощность в первом контуре окажется гораздо больше, чем если бы это был идеальный трансформатор с k = 100%. И 25% переданной мощности будет только если r1 = 1 Ом. А r1, вообще говоря, может принимать любое положительное значение.

Show the best of all time