способ беспроводной передачи электрической энергии и устройство для его осуществления (варианты)

Формула изобретения

1. Способ беспроводной передачи электрической энергии для питания электрической нагрузки, предусматривающий подачу электрической энергии от резонансной системы электропитания через высоковольтный высокочастотный преобразователь, однопроводниковую линию и воздушный зазор к индивидуальным токоприемникам потребителя, отличающийся тем, что подачу питания к токоприемникам потребителя осуществляют методом электромагнитной индукции на частоте 0,1-1000 кГц при напряжении в линии 0,1-1000 кВ через воздушный промежуток между двумя спиральными антеннами, передающую спиральную антенну присоединяют к однопроводниковой линии, а принимающую спиральную антенну, встроенную в токоприемник потребителя, соединяют через понижающий высокочастотный трансформатор, резонансный контур, выпрямитель, накопитель электрической энергии и управляемый инвертор с электрической нагрузкой.

2. Способ беспроводной передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что каждая из двух спиральных антенн выполнена в виде многослойной катушки высокочастотного трансформатора, внешний вывод спиральной обмотки у потребителя соединяют с выводом низковольтной обмотки и с емкостью резонансного контура, а второй вывод низковольтной обмотки и вывод от емкости соединяют с двумя входами трехфазного мостового выпрямителя, а третий вход выпрямителя соединяют с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела или земли, а выход выпрямителя соединяют через управляемый инвертор с нагрузкой.

3. Способ беспроводной передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что спиральные антенны выполнены плоскими, периферийные выводы передающей спиральной антенны присоединяют к однопроводниковой линии, а у приемной спиральной антенны потребителя - к одному из выводов высоковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора, оба вывода низковольтной обмотки соединяют через емкость с двумя входами трехфазного мостового выпрямителя, а третий вход выпрямителя соединяют с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела или земли, а выход выпрямителя соединяют с нагрузкой.

4. Способ беспроводной передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что передающая спиральная антенна выполнена плоской и соединена с однопроводниковой линией, а приемная спиральная антенна у потребителя выполнена в виде многослойной катушки, внешний вывод которой соединяют через понижающий высокочастотный резонансный трансформатор и управляемый инвертор с нагрузкой.

5. Способ беспроводной передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что передающая спиральная антенна выполнена в виде многослойной катушки и соединена внешним выводом с однопроводниковой линией, а у приемной спиральной антенны у потребителя витки расположены в одной плоскости, внешний вывод спиральной антенны соединяют через высокочастотный резонансный трансформатор и управляемый инвертор с нагрузкой.

6. Способ беспроводной передачи электрической энергии потребителям по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что однопроводниковую линию экранируют, а передающие спиральные антенны встраивают в стены зданий и в мебель, а приемные спиральные антенны встраивают в токоприемники электронных и электрических устройств потребителей, установленных в указанных зданиях и в мебели в непосредственной близости от передающих спиральных антенн.

7. Способ беспроводной передачи электрической энергии по п.6, отличающийся тем, что в качестве потребителей используют накопители энергии мобильных телефонов, ноутбуков, систем бесперебойного питания, факсов, сканеров, телевизоров, светильников, домашних кинотеатров, магнитофонов, радиоприемных и радиопередающих устройств, систем видеонаблюдения, электронных датчиков, охранной сигнализации.

8. Способ беспроводной передачи электрической энергии для питания потребителей, предусматривающий подачу электрической энергии от резонансной системы электропитания через высокочастотный преобразователь, однопроводниковую линию и воздушный зазор к индивидуальным токоприемникам потребителя, отличающийся тем, что подачу питания к токоприемникам потребителя осуществляют методом электромагнитной индукции на частоте 0,1-1000 кГц при напряжении в линии 0,1-1000 кВ от однопроводниковой линии, содержащей множество передающих спиральных антенн, через множество воздушных промежутков к множеству приемных спиральных антенн, встроенных в множество токоприемников потребителей и соединенных через резонансный контур, выпрямитель и/или управляемый инвертор с электрической нагрузкой или устройством для хранения электрической энергии у потребителя.

9. Способ беспроводной передачи электрической энергии по п.8, отличающийся тем, что спиральные антенны в однопроводниковой линии соединяют последовательно.

10. Способ беспроводной передачи электрической энергии по п.8, отличающийся тем, что спиральные антенны соединяют параллельно с однопроводниковой линией.

11. Способ беспроводной передачи электрической энергии по п.8, отличающийся тем, что спиральные антенны соединяют между собой и однопроводниковой линией последовательно-параллельно.

12. Способ беспроводной передачи электрической энергии потребителям по п.8, или 9, или 10, или 11, отличающийся тем, что однопроводниковую линию экранируют, а передающие спиральные антенны встраивают в стены зданий и в мебель, а приемные спиральные антенны встраивают в токоприемники электронных и электрических устройств потребителей, установленных в указанных зданиях и в мебели в непосредственной близости от передающих спиральных антенн.

13. Способ беспроводной передачи электрической энергии по п.12, отличающийся тем, что в качестве потребителей используют накопители энергии мобильных телефонов, ноутбуков, систем бесперебойного питания, факсов, сканеров, телевизоров, светильников, домашних кинотеатров, магнитофонов, радиоприемных и радиопередающих устройств, систем видеонаблюдения, электронных датчиков, охранной сигнализации.

14. Способ беспроводной передачи электрической энергии по п.8, отличающийся тем, что передающие спиральные антенны установлены в дорожном покрытии улиц, площадей, в местах стоянки электротранспортных средств и перед светофорами, а размеры каждой передающей спиральной антенны соизмеримы с размерами приемной спиральной антенны токоприемника электротранспортных средств.

15. Способ беспроводной передачи энергии по п.14, отличающийся тем, что токоприемник электротранспортного средства снабжен устройством для изменения величины воздушного зазора и расстояния от принимающей спиральной антенны до дорожного покрытия.

16. Устройство беспроводной передачи электрической энергии, содержащее резонансную систему электропитания через высоковольтный высокочастотный преобразователь, однопроводниковую линию и индивидуальные токоприемники потребителя, отличающееся тем, что устройство содержит воздушный трансформатор, выполненный в виде двух изолированных спиральных антенн с воздушным промежутком, передающая спиральная антенна присоединена к изолированной однопроводниковой линии с частотой 0,1-1000 кГц и напряжением 0,1-1000 кВ, а принимающая спиральная антенна встроена в токоприемник электротранспортного средства и соединена через понижающий высокочастотный трансформатор, резонансный контур, выпрямитель и управляемый инвертор с электрической нагрузкой.

17. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.16, отличающееся тем, что каждая спиральная антенна выполнена в виде многослойной катушки высокочастотного трансформатора, внешний вывод спиральной обмотки у потребителя соединен с выводом низковольтной обмотки и с емкостью резонансного контура, а второй вывод низковольтной обмотки и вывод от емкости соединены с двумя входами трехфазного мостового выпрямителя, а третий вход выпрямителя соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела или земли, а выход выпрямителя соединен через емкостный накопитель и управляемый инвертор с электродвигателем транспортного средства.

18. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.16, отличающееся тем, что спиральные антенны выполнены плоскими, периферийные выводы передающей спиральной антенны присоединены к однопроводниковой линии, а у приемной спиральной антенны потребителя - к одному из выводов высоковольтной обмотки понижающего высокочастотного преобразователя, оба вывода низковольтной обмотки соединены через емкость с двумя входами трехфазного мостового выпрямителя, а третий вход выпрямителя соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела или земли, а выход выпрямителя соединен через накопитель энергии и управляемый инвертор с электродвигателем электротранспортного средства.

19. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.16, отличающееся тем, что передающая спиральная антенна выполнена плоской и соединена с однопроводниковой линией, а приемная спиральная антенна у потребителя выполнена в виде многослойной катушки, внешний вывод которой соединен через понижающий высокочастотный резонансный трансформатор и управляемый инвертор с нагрузкой.

20. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.16, отличающееся тем, что передающая спиральная антенна выполнена в виде многослойной катушки и присоединена внешним выводом к однопроводниковой линии, а у приемной спиральной антенны у потребителя витки расположены в одной плоскости, внешний вывод спиральной антенны соединен через высокочастотный резонансный трансформатор и управляющий инвертор с нагрузкой.

21. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.16, или 17, или 18, или 19, или 20, отличающееся тем, что однопроводниковая линия содержит экран в виде изолированной металлической сетки, которая соединена с землей с помощью индуктивности, а передающие спиральные антенны встроены в стены зданий и в мебель, а приемные спиральные антенны встроены в токоприемники электронных и электрических устройств потребителей, установленных в указанных зданиях и в мебели в непосредственной близости от передающих спиральных антенн.

22. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.21, отличающееся тем, что в качестве потребителей электрической энергии использованы накопители энергии мобильных телефонов, ноутбуков, персональных компьютеров, систем бесперебойного питания, факсов, сканеров, копировальных машин, телевизоров, светильников, домашних кинотеатров, магнитофонов, радиоприемных и радиопередающих устройств, систем видеонаблюдения, электронных датчиков, охранной сигнализации.

23. Устройство беспроводной передачи электрической энергии для питания потребителей, содержащее резонансную систему электропитания через высокочастотный преобразователь, однопроводниковую линию и воздушный промежуток к индивидуальным токоприемникам потребителя, отличающееся тем, что однопроводниковая линия выполнена изолированной на частоте 0,1-1000 кГц при напряжении в линии 0,1-1000 кВ, соединена со множеством передающих изолированных спиральных антенн и через множество воздушных трансформаторов присоединена к множеству принимающих спиральных антенн, встроенных в множество токоприемников электротранспортных средств, каждая принимающая спиральная антенна соединена через резонансный контур, выпрямитель, устройство для хранения электрической энергии с системой управления и электродвигателем электротранспортного средства.

24. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.23, отличающееся тем, что спиральные антенны в однопроводниковой линии соединены последовательно.

25. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.23, отличающееся тем, что спиральные антенны соединены параллельно с однопроводниковой линией.

26. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.23, отличающееся тем, что спиральные антенны соединены между собой и однопроводниковой линией последовательно-параллельно.

27. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.23, или 24, или 25, или 26, отличающееся тем, что однопроводниковая линия содержит экран в виде изолированной металлической сетки, которая соединена с землей с помощью индуктивности, а передающие спиральные антенны встроены в стены зданий и в мебель, а приемные спиральные антенны встроены в токоприемники электронных и электрических устройств потребителей, установленных в указанных зданиях и в мебели в непосредственной близости от передающих спиральных антенн.

28. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.27, отличающееся тем, что в качестве потребителей электрической энергии использованы накопители энергии мобильных телефонов, ноутбуков, персональных компьютеров, систем бесперебойного питания, факсов, сканеров, копировальных машин, телевизоров, светильников, домашних кинотеатров, магнитофонов, радиоприемных и радиопередающих устройств, систем видеонаблюдения, электронных датчиков, охранной сигнализации.

29. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.23, отличающееся тем, что спиральные антенны установлены в дорожном покрытии улиц, площадей и в местах стоянки электротранспортных средств и перед светофорами, а размеры каждой передающей спиральной антенны соизмеримы с размерами принимающей спиральной антенны токоприемника электротранспортных средств.

30. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.29, отличающееся тем, что токоприемник электротранспортного средства снабжен устройством для изменения величины воздушного промежутка между спиральными антеннами и расстояния от принимающей спиральной антенны до дорожного покрытия.

31. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.29, отличающееся тем, что в дорожном покрытии в местах расположения пешеходных переходов однопроводниковая линия имеет защитный экран в виде металлической сетки, изолированной от линии и земли и соединенной с землей через индуктивное сопротивление.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике беспроводной передачи энергии и может быть использовано для электропитания троллейбусов, электромобилей, электропогрузчиков, трамваев, электротракторов, электровозов и других электротранспортных средств, а также для беспроводного питания электронных и электрических устройств.

Известен способ питания рельсового электротранспортного средства, например трамвая и электропоезда, предусматривающий передачу электрической энергии по однопроводной контактной сети через токосъемник на транспортные средства, преобразование электрической энергии сети до заданных значений и подачу ее на тяговые электродвигатели (а.с. СССР № 1729843, МКИ 6 В60L 9/08, 1992 БИ № 16). Недостатком данного способа электроснабжения рельсового транспортного средства является большая металлоемкость устройства, необходимого для осуществления способа, состоящего из двухпроводной токопроводящей линии, содержащей контактный провод и металлический рельс.

Другим недостатком является невозможность использования данного способа для питания нерельсового электротранспорта, например электромобиля или троллейбуса.

Известен способ питания электротранспортного средства путем подачи электрической энергии через двухпроводную контактную сеть, штанговые троллейные токоприемники на тяговые электродвигатели (а.с. СССР № 1440767, МКИ 6 В60L 5/34, БИ № 44, 1988).

Недостатком данного способа является большой расход проводникового материала. Другим недостатком является низкая надежность работы троллейного токоприемника, особенно при движении с большой скоростью и при изменении направления и рядности движения.

Известен способ бесконтактной передачи электрической энергии с помощью электромагнитной индукции. В этом случае провода однофазной тяговой линии из двух изолированных кабелей, соединенных накоротко в конце линии и присоединенных к подстанции переменного тока, передают энергию через воздушный зазор к приемнику из нескольких витков провода, образующих вторичную обмотку трансформатора. Приемник устанавливают на электротранспортном средстве и перемещают относительно линии. Переменный магнитный поток, создаваемый током в линии, индуктирует в обмотке приемника через воздушный зазор электродвижущую силу (ЭДС), как в обычном трансформаторе. Для индукционной бесконтактной передачи используют ток высокой частоты 2-20 кГц. Для рельсового транспорта применяют верхнюю воздушную подвеску высокочастотных тяговых кабелей, а для безрельсового транспорта - подземную прокладку тяговых кабелей (В.Е.Розенфельд, Н.А.Староскольский. Высокочастотный бесконтактный электрический транспорт. Москва: «Транспорт», 1975 г., стр.4-8).

Недостатком известного способа и устройства бесконтактной передачи электрической энергии на транспортное средство являются большие потери в тяговой линии из-за большого индуктивного сопротивления проводов при высокой частоте. Вследствие высокой частоты в витках обмотки приемника и в кабельной линии возникают значительные ЭДС самоиндукции, активная составляющая которой направлена встречно по отношению к напряжению подстанции, питающей тяговую сеть. Для компенсации индуктивного сопротивления и ЭДС самоиндукции в линии и в приемнике последовательно включают конденсаторы. Для снижения рассеивания энергии производят транспозицию - перекрещивание тяговых кабелей, при этом в местах транспозиции возникают затруднения с питанием транспортного средства, так как в токе перекрещивания тяговых кабелей в приемнике не наводится ЭДС. Из-за высокой стоимости и низкого КПД бесконтактного метода передачи электрической энергии с помощью электромагнитной индукции этот способ не нашел практического использования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ питания электротранспортных средств и устройство для его осуществления путем подачи электрической энергии через высокочастотный преобразователь и однопроводниковую контактную сеть к индивидуальным токоприемникам транспортных средств методом электростатической индукции через воздушный промежуток между изолированной однопроводниковой линией и токоприемником от резонансной однопроводниковой системы электропитания на частоте 0,1-400 кГц и напряжении в линии 0,5-1000 кВ (патент РФ № 2297928, МПК B60L 9/00, БИ № 12, 2007).

В варианте способа питания электротранспортных средств подачу питания на транспортное средство осуществляют методом электростатической индукции через воздушный зазор между однопроводниковой кабельной линией, установленной в дорожном покрытии или в земле непосредственно около поверхности, и токоприемником, установленным под днищем электротранспортного средства.

В другом варианте способа питания электротранспортных средств подачу питания осуществляют через воздушный зазор между однопроводниковой линией и токоприемником, установленными над электротранспортным средством или у боковой поверхности электротранспортного средства.

Устройство, реализующее известный способ, представляет собой источник электрической энергии, к которому присоединен преобразователь частоты, и однопроводниковую линию для каждой полосы движения и токоприемники электротранспортных средств, устройство выполнено в виде резонансной электрической системы с резонансной частотой 0,1-400 кГц и напряжением однопроводниковой линии 0,5-1000 кВ с воздушным зазором 0,1-50 м между однопроводниковой линией и токоприемником, устройство содержит два, один передающий и один приемный, резонансных контура, настроенных на одинаковую частоту f₀=0,1-100 кГц, вход передающего контура присоединен к преобразователю частоты, а выход через резонансный повышающий трансформатор и однопроводниковую линию через воздушный зазор к токоприемнику; токоприемник выполнен в виде тонкого изолированного листа из проводящего материала и установлен на транспортном средстве параллельно однопроводниковой линии, вход второго приемного резонансного контура присоединен к токоприемнику через резонансный понижающий трансформатор, а выход через выпрямитель и блок управления к электродвигателю электротранспортного средства.

Использование известного способа и устройства питания электротранспортного средства обеспечивает повышение эффективности, надежности работы, увеличение срока службы, уменьшение потерь энергии и обеспечение многорядного движения электротранспортных средств. Недостатком известного способа является низкая передаваемая мощность через воздушный зазор, ограничивающая возможности перемещения грузового транспортного средства и его скорость.

Задачей предлагаемого изобретения является создание беспроводного способа питания электротранспортных средств и устройство для его осуществления, обеспечивающего высокую мощность и скорость перемещения электротранспортного средства при многополосном (многорядном) движении.

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность беспроводной передачи электрической энергии и питания грузовых электротранспортных средств при их перемещении на большое расстояние.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе беспроводной передачи электрической энергии, предусматривающем подачу электрической энергии от резонансной системы электропитания через высоковольтный высокочастотный преобразователь, однопроводниковую линию и воздушный зазор к индивидуальным токоприемникам потребителя, подачу питания к токоприемникам потребителя осуществляют методом электромагнитной индукции на частоте 0,1-1000 кГц при напряжении в линии 0,1-1000 кВ через воздушный промежуток между двумя спиральными антеннами, передающая спиральная антенна присоединена к однопроводниковой линии, а принимающая спиральная антенна встроена в токоприемник потребителя и соединена через понижающий высокочастотный трансформатор, резонансный контур, выпрямитель, накопитель электрической энергии и управляемый инвертор с электрической нагрузкой.

В варианте способа беспроводной передачи электрической энергии каждая из двух спиральных антенн выполнена в виде многослойной катушки высокочастотного трансформатора, внешний вывод спиральной обмотки у потребителя соединен с выводом низковольтной обмотки и с емкостью резонансного контура, а второй вывод низковольтной обмотки и вывод от емкости соединены с двумя входами трехфазного мостового выпрямителя, а третий вход выпрямителя соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела или земли, а выход выпрямителя соединен через управляемый инвертор с нагрузкой.

В другом варианте способа беспроводной передачи электрической энергии спиральные антенны выполнены плоскими, периферийные выводы передающей спиральной антенны присоединены к однопроводниковой линии, а у приемной спиральной антенны потребителя к одному из выводов высоковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора, оба вывода низковольтной обмотки соединены через емкость с двумя входами трехфазного мостового выпрямителя, а третий вход выпрямителя соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела или земли, а выход выпрямителя соединен с нагрузкой.

В другом варианте способа беспроводной передачи электрической энергии передающая спиральная антенна выполнена плоской и соединена с однопроводниковой линией, а приемная спиральная антенна у потребителя выполнена в виде многослойной катушки, внешний вывод которой соединен через понижающий высокочастотный резонансный трансформатор и управляемый инвертор с нагрузкой.

Еще в одном варианте способа беспроводной передачи электрической энергии передающая спиральная антенна выполнена в виде многослойной катушки и соединена внешним выводом с однопроводниковой линией, а у приемной спиральной антенны у потребителя витки расположены в одной плоскости, внешний вывод спиральной антенны соединен через высокочастотный резонансный трансформатор и управляемый инвертор к нагрузке.

В способе беспроводной передачи электрической энергии для питания потребителей, предусматривающем подачу электрической энергии от резонансной системы электропитания через высокочастотный преобразователь, однопроводниковую линию и воздушный зазор к индивидуальным токоприемникам потребителя, подачу питания к токоприемникам потребителя осуществляют методом электромагнитной индукции на частоте 0,1-1000 кГц при напряжении в линии 0,1-1000 кВ от однопроводниковой линии, содержащей множество передающих спиральных антенн, через множество воздушных промежутков к множеству приемных спиральных антенн, встроенных в множество токоприемников потребителей и соединенных через резонансный контур, выпрямитель и/или управляемый инвертор с электрической нагрузкой или устройством для хранения электрической энергии у потребителя.

В варианте способа беспроводной передачи электрической энергии спиральные антенны в однопроводниковой линии соединены последовательно.

В другом варианте способа беспроводной передачи электрической энергии спиральные антенны соединены параллельно с однопроводниковой линией.

Еще в одном варианте способа беспроводной передачи электрической энергии спиральные антенны соединены между собой и однопроводниковой линией последовательно-параллельно.

В варианте способа беспроводной передачи электрической энергии потребителям однопроводниковая линия экранирована, а передающие спиральные антенны встроены в стены зданий и в мебель, а приемные спиральные антенны встроены в токоприемники электронных и электрических устройств потребителей, установленных в указанных зданиях и в мебели в непосредственной близости от передающих спиральных антенн.

В варианте способа беспроводной передачи электрической энергии в качестве потребителей используют накопители энергии мобильных телефонов, ноутбуков, систем бесперебойного питания, факсов, сканеров, телевизоров, светильников, домашних кинотеатров, магнитофонов, радиоприемных и радиопередающих устройств, систем видеонаблюдения, электронных датчиков, охранной сигнализации.

Для обеспечения способа беспроводной зарядки электротранспортных средств передающие спиральные антенны установлены в дорожном покрытии улиц, площадей, в местах стоянки электротранспортных средств и перед светофорами, а размеры каждой передающей спиральной антенны соизмеримы с размерами приемной спиральной антенны токоприемника электротранспортных средств.

Для увеличения эффективности способа беспроводной передачи энергии на электротранспортное средство токоприемник электротранспортного средства снабжен устройством для изменения величины воздушного зазора и расстояния от принимающей спиральной антенны до дорожного покрытия.

Предлагаемое устройство беспроводной передачи электрической энергии, содержащее резонансную систему электропитания через высоковольтный высокочастотный преобразователь, однопроводниковую линию и индивидуальные токоприемники потребителя, также содержит воздушный трансформатор, выполненный в виде двух изолированных спиральных антенн с воздушным промежутком, передающая спиральная антенна присоединена к изолированной однопроводниковой линии с частотой 0,1-1000 кГц и напряжением 0,1-1000 кВ, а принимающая спиральная антенна встроена в токоприемник электротранспортного средства и соединена через понижающий высокочастотный трансформатор, резонансный контур, выпрямитель и управляемый инвертор с электрической нагрузкой.

В варианте устройства беспроводной передачи электрической энергии каждая спиральная антенна выполнена в виде многослойной катушки высокочастотного трансформатора, внешний вывод спиральной обмотки у потребителя соединен с выводом низковольтной обмотки и с емкостью резонансного контура, а второй вывод низковольтной обмотки и вывод от емкости соединены с двумя входами трехфазного мостового выпрямителя, а третий вход выпрямителя соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела или земли, а выход выпрямителя соединен через емкостный накопитель и управляемый инвертор с электродвигателем транспортного средства.

В другом варианте устройства беспроводной передачи электрической энергии спиральные антенны выполнены плоскими, периферийные выводы передающей спиральной антенны присоединены к однопроводниковой линии, а у приемной спиральной антенны потребителя к одному из выводов высоковольтной обмотки понижающего высокочастотного преобразователя, оба вывода низковольтной обмотки соединены через емкость с двумя входами трехфазного мостового выпрямителя, а третий вход выпрямителя соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела или земли, а выход выпрямителя соединен через накопитель энергии и управляемый инвертор с электродвигателем электротранспортного средства.

В другом варианте устройства беспроводной передачи электрической энергии передающая спиральная антенна выполнена плоской и соединена с однопроводниковой линией, а приемная спиральная антенна у потребителя выполнена в виде многослойной катушки, внешний вывод которой соединен через понижающий высокочастотный резонансный трансформатор и управляемый инвертор с нагрузкой.

Еще в одном варианте устройства беспроводной передачи электрической энергии передающая спиральная антенна выполнена в виде многослойной катушки и присоединена внешним выводом к однопроводниковой линии, а у приемной спиральной антенны у потребителя витки расположены в одной плоскости, внешний вывод спиральной антенны присоединен через высокочастотный резонансный трансформатор и управляющий инвертор к нагрузке.

В устройстве беспроводной передачи электрической энергии для питания потребителей, содержащем резонансную систему электропитания через высокочастотный преобразователь, однопроводниковую линию и воздушный промежуток к индивидуальным токоприемникам потребителя, однопроводниковая линия выполнена изолированной на частоте 0,1-1000 кГц при напряжении в линии 0,1-1000 кВ, соединена со множеством передающих изолированных спиральных антенн и через множество воздушных трансформаторов присоединена к множеству принимающих спиральных антенн, встроенных в множество токоприемников электротранспортных средств, каждая принимающая спиральная антенна соединена через резонансный контур, выпрямитель, устройство для хранения электрической энергии с системой управления и электродвигателем электротранспортного средства.

В варианте устройства беспроводной передачи электрической энергии спиральные антенны в однопроводниковой линии соединены последовательно.

В другом варианте устройства беспроводной передачи электрической энергии спиральные антенны соединены параллельно с однопроводниковой линией.

Еще в одном варианте устройства беспроводной передачи электрической энергии спиральные антенны соединены между собой и однопроводниковой линией последовательно-параллельно.

В варианте устройства беспроводной передачи электрической энергии однопроводниковая линия содержит экран в виде изолированной металлической сетки, которая соединена с землей с помощью индуктивности, а передающие спиральные антенны встроены в стены зданий и в мебель, а приемные спиральные антенны встроены в токоприемники электронных и электрических устройств потребителей, установленных в указанных зданиях и в мебели в непосредственной близости от передающих спиральных антенн.

В варианте устройства беспроводной передачи электрической энергии в качестве потребителей электрической энергии использованы накопители энергии мобильных телефонов, ноутбуков, персональных компьютеров, систем бесперебойного питания, факсов, сканеров, копировальных машин, телевизоров, светильников, домашних кинотеатров, магнитофонов, радиоприемных и радиопередающих устройств, систем видеонаблюдения, электронных датчиков, охранной сигнализации.

Для обеспечения беспроводной зарядки электротранспортных средств спиральные антенны устройства установлены в дорожном покрытии улиц, площадей и в местах стоянки электротранспортных средств и перед светофорами, а размеры каждой передающей спиральной антенны соизмеримы с размерами принимающей спиральной антенны токоприемника электротранспортных средств.

Для увеличения эффективности беспроводной передачи электрической энергии на электротранспортное средство токоприемник электротранспортного средства снабжен устройством для изменения величины воздушного промежутка между спиральными антеннами и расстояния от принимающей спиральной антенны до дорожного покрытия.

В варианте устройства беспроводной передачи электрической энергии в дорожном покрытии в местах расположения пешеходных переходов однопроводниковая линия имеет защитный экран в виде металлической сетки, изолированной от линии и земли и соединенной с землей через индуктивное сопротивление.

Способ и устройство беспроводной передачи электрической энергии иллюстрируются на фиг.1, 2, 3, 4, 5, где на фиг.1 представлена блок-схема способа и устройства беспроводной передачи электрической энергии, на фиг.2 - электрическая схема устройства беспроводной передачи электрической энергии через воздушный трансформатор с параллельным соединением спиральных антенн к однопроводниковой линии, на фиг.3 - конструкция воздушного трансформатора из двух спиральных антенн и электрическая схема токоприемника у потребителя. На фиг.4 - электрическая схема размещения спиральных антенн в дорожном покрытии у светофора и на пешеходном переходе, на фиг.5, 6 - схема расположения спиральных антенн в виде многослойных катушек для беспроводной передачи электрической энергии и зарядки накопителей электрической энергии электротранспортных средств на месте парковки, на фиг.7 - схема способа и устройства для беспроводной передачи электрической энергии на электронные и электрические приборы в зданиях.

На фиг.1 представлена блок-схема способа и устройства для беспроводной передачи электрической энергии. Электрическую энергия от трехфазной сети частотой 50 Гц преобразуют по напряжению и частоте в резонансной системе электропитания 1 и высоковольтном высокочастотном преобразователе 2 и подают на однопроводниковую изолированную линию 3 с частотой 0,1-1000 кГц и напряжением в линии 0,1-1000 кВ. Однопроводниковую линию соединяют последовательно или параллельно с одной или несколькими передающими спиральными антеннами 4. Электрическую энергию с помощью электромагнитной индукции передают через воздушный промежуток 5 с передающей антенны 4 на приемную спиральную антенну 6, встроенную в токоприемник потребителя. Приемная спиральная антенна 6 соединена с одним из выводов 7 высоковольтной обмотки 8 высокочастотного понижающего трансформатора 9. Низковольтная обмотка 10 трансформатора 8 присоединена через емкость 11 резонансного контура 12 к выпрямителю 13. Электрическую энергию из приемной спиральной антенны 6 преобразуют по напряжению в понижающем высокочастотном трансформаторе на резонансной частоте R₀ контура 12, равной резонансной частоте резонансной системы электропитания 2, выпрямляют в выпрямителе 13, накапливают в накопителе электрической энергии 14, преобразуют по частоте в управляемом инверторе 15 и передают в нагрузку 16. Резонансная частота ,где С - емкость 11, L - индуктивность понижающей обмотки 10 трансформатора 9.

На фиг.2 трехфазный генератор через выпрямитель 17 и преобразователь частоты 18 соединен через емкость 19 с обмоткой 20 высоковольтного высокочастотного трансформатора 21. Один вывод 22 высоковольтной обмотки 23 трансформатора 21 соединен с однопроводниковой изолированной линией 24, расположенной в дорожном покрытии 25. Однопроводниковая линия 24 установлена в каждом ряду движения и соединена параллельно с выводами изолированных от земли передающих спиральных антенн 26, которые установлены в дорожном покрытии 25 непосредственно у поверхности в каждом ряду движения 27 и 28. Линейные размеры спиральных антенн 26 соизмеримы с линейными размерами приемных спиральных антенн 29 в токоприемниках 30 электротранспортных средств 31 (фиг.3).

На фиг.3 электроизолированная плоская приемная спиральная антенна 29 размещена в токоприемнике 30 под днищем электротранспортного средства 31. Приемная спиральная антенна 29 соединена с высоковольтным выводом 7 высоковольтной обмотки 8 понижающего высокочастотного трансформатора 9. Выводы низковольтной обмотки 10 трансформатора 9 соединены через емкость 11 с двумя входами 32 и 33 трехфазного мостового выпрямителя 34. Третий вход 35 выпрямителя 34 соединен с естественной емкостью 36 в виде изолированного проводящего тела или земли. Выходы выпрямителя 34 соединены через накопитель электрической энергии 14 и управляемый инвертор 15 с системой управления и электродвигателем 16 электротранспортного средства 31.

На фиг.4 передающие спиральные антенны 26 установлены в дорожном покрытии 25 перед светофором 37 и обеспечивают зарядку накопителей 14 электротранспортных средств 31 во время остановки при запрещающем сигнале светофора 37. При наличии участка 38 в дорожном покрытии с разметкой типа «зебра» для преимущественного прохода пешеходов передающие спиральные антенны на этом участке 38 дорожного покрытия 25 не устанавливаются, а однопроводниковая линия 24 на этом участке имеет защитный экран 39 в виде металлической сетки, которая изолирована от однопроводной линии 24 и дорожного покрытия 25 и соединена с землей 40 с помощью индуктивного сопротивления 41.

На фиг.5 передающие спиральные антенны выполнены в виде многослойных катушек 42, которые соединены с однопроводниковой линией 24 и установлены в дорожном покрытии 25.

На фиг.6 передающие спиральные антенны 42 установлены на стоянке 43 для электротранспортных средств и установлены в дорожном покрытии 25 под каждым местом парковки 44.

На фиг.7 одна передающая спиральная антенна в виде многослойной катушки 45 встроена в стену 46 здания и соединена с однопроводниковой экранированной линией 47, а на указанной стене в непосредственной близости от передающей спиральной антенны 45 установлена принимающая спиральная антенна 48, встроенная в токоприемник 49 домашнего кинотеатра 50. На столе 51 находятся ноутбук 52 и мобильный телефон 53, которые имеют встроенные токоприемники 54 и 55 с накопителями энергии 56 и 57 и встроенные в токоприемники приемные спиральные антенны 58 и 59 с витками в одной плоскости. На нижней поверхности стола закреплена передающая спиральная антенна 60 с витками в одной плоскости, соединенная с однопроводниковой экранированной линией 47, экран выполнен в виде изолированной металлической сетки 61, соединенной с землей с помощью индуктивности 62.

Примеры исполнения способа и устройства для беспроводной передачи электрической энергии

Пример 1. Источник (фиг.2) электрической энергии мощностью 50 МВт соединен через выпрямитель 17, преобразователь частоты 18 и повышающий резонансный трансформатор 21 с однопроводниковой линией 24. Напряжение в линии 24 220 кВ, частота 5 кГц. Диаметр спиральных передающих антенн 26 1,8 м, количество передающих антенн 21 на 1 км длины дорожного покрытия 300. Диаметр приемной спиральной антенны 29 1,4 м, количество приемных спиральных антенн 29 на электротранспортном средстве 31 - 2, размер воздушного промежутка 5 между приемной и передающей спиральными антеннами 0,3 м с возможностью изменения воздушного промежутка 5 от 0,1 м до 0,6 м. Передаваемая максимальная мощность через один воздушный промежуток 5 между спиральными антеннами составляет 50 кВт. Количество электротранспортных средств мощностью 50 кВт, питаемых по однопроводной линии 24, составляет 1000 единиц.

Пример 2. Однопроводная линия 24 передает электрическую энергию на передающие спиральные антенны, выполненные в виде многослойных катушек 42 (фиг.5, 6). Число витков в спиральной антенне - 100, диаметр катушки - 1,8 м, высота катушки - 0,2 м. Напряжение в линии - 35 кВ, частота - 10 кГц. Спиральные антенны установлены в дорожном покрытии 25 в парковке 43 на каждом месте парковки 44 и обеспечивают зарядку аккумуляторов электромобилей путем беспроводной передачи электрической энергии через воздушный промежуток между передающими спиральными антеннами 42 и приемными спиральными антеннами 29 (фиг.3), установленными в токоприемнике 30 электромобиля 31. Зарядное напряжение - 160 В, зарядный ток - 20 А, емкость аккумулятора - 20 кВт·ч.

Пример 3. В стене здания (фиг.7) встроена передающая спиральная антенна 45 диаметром 0,9 м и толщиной 0,1 м, содержащая 30 витков. Спиральная антенна 45 соединена с экранированной однопроводной линией 47 с напряжением в линии 1000 В и частотой 30 кГц. Приемная плоская спиральная антенна 48 имеет диаметр 0,9 м и обеспечивает беспроводную передачу электрической энергии мощностью 250 Вт для питания домашнего кинотеатра 50, установленного на стене 46 в непосредственной близости от передающей антенны 45. Под столом 51 установлена плоская передающая спиральная антенна 60 диаметром 0,8 м, соединенная с экранированной однопроводниковой линией 47. Напряжение в линии 1000 В, частота 30 кГц. Экран 61 линии 47 соединен с землей через индуктивное сопротивление 62. Приемные плоские спиральные антенны 54 и 55 у ноутбука 52 и мобильного телефона 53 имеют линейные размеры, равные размерам ноутбука и мобильного телефона, и обеспечивают зарядку аккумуляторов ноутбука и мобильного телефона при любом их расположении на столе 51.

Использование предлагаемого способа для беспроводной передачи электрической энергии в электрическом транспорте позволяет создать автомобиль со следующими характеристиками:

Отсутствие двигателя внутреннего сгорания и топливных баков.

Отсутствие электрохимических генераторов и систем хранения водорода.

Неограниченная длительность и дальность движения.

Возможность полной автоматизации вождения.

Отсутствие выбросов вредных веществ и парниковых газов.

Затраты энергии на передвижения снижаются в 5 раз, а КПД передачи и использования электрической энергии увеличивается до 80%. Расход электроэнергии составит 15 кВт·ч на 100 км пробега на каждую тонну массы автомобиля.

За счет беспроводной зарядки накопителя энергии во время движения емкость и масса накопителя снижается в 3-4 раза, что позволяет увеличить массу полезного груза и снизить затраты энергии на движение электротранспортного средства.