¿Qué tan grande debe ser mi bobina de carga inalámbrica?

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Fondo: Necesito cargar una batería de forma inalámbrica a aproximadamente 100W. Sin embargo, parece haber una brecha en el mercado de la carga inalámbrica. Hay muchos sistemas inalámbricos de transferencia de energía que operan en el rango de sub 20W para teléfonos móviles, y varios en el rango de varios kW para cargar autos. Pero nada que pueda encontrar en el rango de 100W.

Así que estoy pensando en diseñar el mío. Antes de ir demasiado lejos, me gustaría revisar mi idea para asegurarme de que se ajuste a las restricciones de tamaño y peso de mi sistema.

Pregunta: ¿Hay alguna manera de estimar el tamaño y / o el peso de las bobinas requeridas para transmitir potencia de forma inalámbrica? ¿Alguna ecuación o regla de oro?

Añadido: Todavía no he pensado en la frecuencia, ya que todavía estoy tratando de determinar si esto es posible. Hasta ahora, no puedo encontrar mucha información sobre el tamaño de las bobinas. Sin embargo, me acabo de dar cuenta de que podré tocar las ferritas de las bobinas, por lo que esto debería mejorar la eficiencia.

    
pregunta Rocketmagnet

4 respuestas

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Una corriente alterna a través de una bobina de transmisión induce una tensión alterna en una bobina de recepción. La bobina de recepción en un transformador regular se denomina bobinado secundario y recibe aproximadamente el 97% del flujo magnético producido por la bobina de transmisión (primaria), por lo que establece la escena básica.

Lo que necesita diseñar es un transformador con una pequeña brecha de aire. El uso de ferritas es una buena idea, ya que puede acortar el espacio de aire y dirigir el flujo magnético alterno hacia donde debe ir: cuanto mayor sea el porcentaje de flujo recibido que el secundario, más potencia podrá transmitir efectivamente a una carga receptora.

Sin embargo, cuando tienes una situación en la que el flujo acoplado es una fracción mucho menor (por ejemplo, 50%), debes comenzar a hacer trucos y uno de ellos es operar las bobinas a varios kHz a cien kHz y afinar las bobinas (son inductores después de todo) con condensadores para que resuenen. ¿Qué sucede cuando la bobina de transmisión resuena? Se obtiene una amplificación de corriente en la bobina y esto aumenta el flujo magnético y se recibe más flujo (aún puede estar acoplado en un 50% pero, para un estímulo de corriente dado al circuito sintonizado primario, puede ser doble o más actual en esa bobina real).

Esto me lleva a señalar una de las cosas de las que debe tener cuidado: si tiene un primario altamente sintonizado, sin carga, es decir, sin interconectarse con la carga del secundario, la tensión del terminal de la bobina de transmisión puede Crea corrientes masivas y bang, enrollas fritas. Debe tener un mecanismo que limite la corriente en la bobina de transmisión y esto puede ser un poco sofisticado.

En un transformador normal, si se toma una corriente del secundario, esto se refleja en una corriente en el primario que, en efecto, "obliga" a que la tensión secundaria permanezca regulada en gran medida. No es así cuando el acoplamiento es bajo.

Podría hacer un cortocircuito en el devanado secundario / recibir y simplemente encontrará que la corriente de devanado de transmisión aumenta pero no se vuelve loca como un transformador normal. Esto nuevamente se debe a la falta de acoplamiento del 100% y, en última instancia, define cuánto. La potencia se puede transferir a una distancia determinada y la topología de la bobina.

Si necesita las matemáticas, aquí hay una imagen que puede ayudar: -

La imagen de arriba es para las bobinas totalmente en el aire. Claramente, si usa ferritas para minimizar el espacio, la fórmula de flujo recibido reduce efectivamente la dimensión Z y, a medida que las bobinas se acercan (y tienen el mismo diámetro), tiene un transformador regular . También vale la pena señalar que sintonizar la bobina de recepción con un capacitor también significará que puede obtener más corriente. Sé que no se ve de esta manera, pero la bobina de recepción con un capacitor físicamente paralelo es en realidad un circuito sintonizado en serie. al modo en que se induce el voltaje en serie con la bobina de recepción: cuando esto sucede, la inductancia de fuga de la bobina de recepción / secundaria se cancela totalmente, lo que significa que la impedancia de salida de la bobina solo está limitada por la resistencia interna de las bobinas.

Buena suerte y, si tiene la oportunidad, háganos saber cómo le va con su diseño. Parte de mi trabajo es alimentar dispositivos electrónicos rotativos (cosas en los motores a reacción que se usan para recopilar datos) y tenemos que lanzar un par de vatios a través de un espacio a veces considerable de hasta 40 mm con bobinas generalmente no ideales, por lo que tengo un interés personal. / p>     

respondido por el Andy aka
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Puedes considerarlo como un transformador, y se aplican los mismos principios. A frecuencias más altas, el tamaño del transformador puede ser más pequeño (pero las pérdidas del núcleo aumentan y el efecto de la piel lo obliga a usar el cable de Litz).

Un espacio más pequeño significa una menor inductancia de fuga, aunque incluso si las ferritas están en contacto con usted, no debe asumir ningún espacio, quizás un par de milésimas de pulgada. Obtener 100W a través de algo del tamaño de un rollo de cinta adhesiva no debería ser demasiado difícil.

    
respondido por el Spehro Pefhany
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  1. Determine el espaciado máximo en el peor de los casos entre la bobina Tx y Rx. Sobre esta base, intente hacer que las ID de las bobinas sean el doble de esa distancia o más.
  2. Determine el método que se utilizará para el control de transferencia de potencia, será a través del cambio de frecuencia entre 110 kHz a 205 kHz o será una frecuencia fija con la duración del pulso de ráfaga.
  3. Luego, determina con qué voltaje estás trabajando en Tx y en Rx. En base a esto, equilibre la inductancia de la bobina Tx de modo que a la corriente de plena carga la corriente máxima que le gustaría pasar a través de la bobina sea aceptable para el calibre de cable seleccionado.
  4. Obtenga una tapa resonante afinada a las bobinas en ambos lados. 100 kHz para el tipo de cambio de frecuencia, de lo contrario, resuena a la frecuencia fija si se va por esa ruta.

Notas:

  • Impedancia del inductor, L = 2 * pi * Freq * L ohms
  • Impedancia de la tapa, C = 1 / (2 * pi * Freq * C) ohms
  • Impedancia total del circuito = resistencia de CC del cable de la bobina + (impedancia de L - Impedancia de C)

Calcule los valores anteriores en múltiples puntos de operación de frecuencia.

Para un Vinput dado, corriente a través de la bobina = V / impedancia total del circuito. Esto le ayuda a seleccionar el grosor del cable de la bobina o incrementa recíprocamente el inductor L hasta que la corriente se reduce al límite de seguridad.

Eso es todo para él. Solo hazlo y juega con él hasta que te guste algo que funcione para ti.

    
respondido por el Samuel. C
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Varias personas han hecho un montón de demostraciones de transferencia de energía inalámbrica de 60 W (encendiendo una bombilla de 60 W hasta el brillo máximo): Personas asociadas con MIT, Intel y Witricity; (a) (b) (c) (d) Las personas asociadas con Yale y FREE-D han hecho demostraciones similares; (e) Varias otras demostraciones. (f)

Debido a la reciprocidad, una antena diseñada para transmitir una cierta cantidad de energía puede (teóricamente) recibir la misma cantidad de energía en la misma frecuencia. Puede que le resulte útil consultar las bobinas de calentamiento por inducción en el rango de potencia deseado y sus circuitos de accionamiento; teóricamente, se podría utilizar una bobina similar para recibir la potencia que transmite y convertir nuevamente a potencia eléctrica.

(Este comentario fue demasiado largo para caber en el cuadro de "comentarios", así que lo publico como una "respuesta", aunque espero que otras personas publiquen mejores respuestas).

    
respondido por el davidcary

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