Méthode d'induction électromagnétique dans le transfert d'énergie sans fil

Une méthode de transmission d'énergie électrique à distance sans utiliser de milieu conducteur est appelée transmission sans fil de l'électricité. En 2011, plusieurs expériences réussies ont été menées dans le domaine des micro-ondes avec des capacités de plusieurs dizaines de kilowatts, alors que le rendement était d'environ 40%.

Cela s'est produit pour la première fois en 1975 en Californie et la deuxième fois en 1997 à la Réunion. La distance la plus longue étant d'environ un kilomètre, une expérience a été menée pour étudier les possibilités d'économie d'énergie d'un village sans utiliser de câble traditionnel.

Technologiquement, les principes de la transmission d'énergie électrique sur une distance comprennent, selon la distance de transmission, les suivants. À courte distance à faible puissance - méthodes d'induction et de résonance, telles que dans les étiquettes RFID et les cartes à puce. À de grandes distances et à des puissances élevées - la méthode de rayonnement électromagnétique directionnel dans la gamme des UV aux micro-ondes.

Examinons de plus près la méthode d'induction. La transmission sans fil de l'énergie par induction électromagnétique implique l'utilisation du champ électromagnétique proche à des distances proportionnelles à 17% de la longueur d'onde. L'essentiel est que l'énergie du champ proche ne rayonne pas en soi, il n'y a que de petites radiations et des pertes résistives.

L'induction électrodynamique fonctionne comme ça. Lorsqu'un courant électrique alternatif traverse l'enroulement primaire, il y a un champ magnétique alternatif autour de celui-ci, qui agit simultanément sur l'enroulement secondaire, induisant une EMF variable et, par conséquent, un courant alternatif.

Pour obtenir un rendement plus élevé, la position relative des enroulements primaire et secondaire doit être suffisamment proche. Si, dans des conditions expérimentales, l'enroulement secondaire commence à s'éloigner du primaire, alors la partie du champ magnétique atteignant l'enroulement secondaire et traversant ses spires deviendra plus petite.

Lorsque l'enroulement secondaire est supprimé, même à une faible distance, le couplage par induction entre les enroulements finira par devenir si petit que la majeure partie de l'énergie transmise par le champ magnétique sera consommée de manière extrêmement inefficace et généralement en vain.

Un système similaire est présenté sous sa forme la plus simple. dans un transformateur électrique classique. Après tout, un transformateur est l'appareil le plus simple pour la transmission d'énergie sans fil, car ses enroulements primaire et secondaire ne sont pas connectés galvaniquement l'un à l'autre. Le transfert d'énergie du primaire au secondaire y est mis en œuvre grâce à un processus appelé induction mutuelle. La fonction principale du transformateur est d'augmenter ou de diminuer la tension fournie à l'enroulement primaire.

Dans les chargeurs sans contact pour équipements mobiles, pour les brosses à dents électriques et dans les plaques à induction, seules les méthodes d'induction électrodynamique sont mises en œuvre. L'inconvénient de ce transfert d'énergie est que l'action efficace est très faible. Pour obtenir une efficacité appropriée, l'émetteur et le récepteur doivent être placés très, très proches l'un de l'autre, presque près du principe selon lequel ils peuvent interagir efficacement l'un avec l'autre.

Pour augmenter l'efficacité de la méthode d'induction, il est utile d'introduire le phénomène de résonance électrique dans un tel système, ce qui augmentera la distance de transmission effective. Avec l'ajout d'un circuit oscillatoire au circuit résonnant, celui-ci, par son action, augmente dans une certaine mesure la distance de transmission effective. Pour que la résonance se produise, les boucles de l'émetteur et du récepteur doivent être réglées sur la même fréquence commune.

Les performances d'un tel système peuvent être encore améliorées en corrigeant la forme d'onde du courant de commande, en le faisant passer d'une impulsion sinusoïdale à une impulsion transitoire non sinusoïdale.

Le transfert d'énergie pulsé est alors effectué en plusieurs cycles, et une puissance importante peut être transférée dans de telles conditions d'un circuit LC à un autre, et avec un coefficient de couplage plus faible que sans utiliser de circuits résonnants. Les formes des bobines ne changent pas, et en tout cas ce sont des spirales plates ou des solénoïdes monocouches avec des condensateurs qui leur sont connectés, nécessaires pour régler l'élément récepteur sur la fréquence de résonance de l'émetteur.

Traditionnellement, l'induction électrodynamique résonnante est utilisée dans les chargeurs de batterie sans fil des appareils mobiles, comme les téléphones portables et les implants médicaux, ainsi que dans les véhicules électriques. Les dispositifs de charge localisés utilisent la sélection d'une bobine d'émetteur spécifique parmi un ensemble d'enroulements multicouches.

Dans ce cas, le phénomène de résonance fonctionne à la fois dans le circuit du panneau émetteur du chargeur et dans le circuit récepteur du module de charge monté sur le dispositif de charge afin que l'efficacité de transmission et de réception d'énergie soit maximisée. La technologie de cette configuration est universelle et peut être utilisée pour charger sans fil divers gadgets équipés de récepteurs résonants appropriés.

La technique de ce plan est adoptée dans le cadre de la norme de charge sans fil Qi. Cette norme offre deux options de transfert d'énergie: faible puissance - de 0 à 5 watts et puissance moyenne - jusqu'à 10 watts. La norme a été développée après 2008 par le Wireless Power Consortium (WPC) pour le transfert d'induction d'énergie jusqu'à 4 cm.

L'équipement avec support Qi comprend un émetteur avec une bobine plate (il est situé derrière la plaque), connecté à une source d'alimentation fixe et un récepteur compatible qui est installé à l'intérieur du dispositif de charge (également sous la forme d'une bobine plate). PLorsque vous utilisez le chargeur, l'appareil connecté est placé sur la plaque de l'émetteur. Dans ce cas, le principe de l'induction électromagnétique entre ces deux bobines plates, comme dans un transformateur, s'applique.

Le Qi est utilisé aujourd'hui dans certains appareils: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, Yota Devices. L'objectif du consortium est de créer une norme unique pour la technologie de charge par induction afin de faire des chargeurs sans fil un attribut familier des lieux publics, tels que les cafés, les aéroports, les arènes sportives, etc.

L'induction électrodynamique par résonance est également utilisée pour alimenter directement sans fil des appareils sans batterie. Il s'agit notamment des étiquettes RFID et des cartes à puce sans contact. Un principe similaire pour le transfert d'énergie électrique s'applique. dans le transformateur Tesla - du circuit primaire - l'inductance - au résonateur situé à l'intérieur. Le transformateur Tesla lui-même, à son tour, sert également d'émetteur d'énergie sans fil, seulement plus électrostatique qu'électromagnétique.