Transmisión inalámbrica de energía a través de una capa de material no conductor

Para transmitir energía a través de un espacio, puede hacerlo mediante la acción del transformador, pero la eficiencia será baja porque el campo magnético de la bobina de alimentación no se acopla al 100% con la bobina receptora. Dependiendo de la brecha, el acoplamiento puede ser solo (digamos) del 10% y esto significa que debe usar mucha fuerza bruta para obtener la potencia que necesita en la bobina receptora.

Una mejora significativa de esto es usar bobinas sintonizadas que operan a una frecuencia resonante.

Voy a describir uno en el que participé el año pasado: no logró nada más que un 10 % de acoplamiento de potencia, pero las limitaciones de la aplicación eran enormes; es por eso que lo estoy usando como ejemplo, si puede evitar estas restricciones (descritas a continuación), entonces debería obtener fácilmente una eficiencia energética superior al 50 %.

Necesitaba transferir energía al extremo del rotor de turbina de un generador de energía de 500 MW y los ejes son bastante grandes. En efecto, la bobina receptora tenía un diámetro de aproximadamente 1,5 metros: -

La línea circular roja es la bobina que se encuentra en una ranura aislada elevada sobre el metal del rotor. Se esperaba que el metal diera un acoplamiento deficiente, pero a la frecuencia utilizada, no fue tan malo para absorber la energía (tal vez una pérdida del 20%). La bobina era de una sola vuelta de 1,6 mm de Cu.

La bobina del estator se acoplaba a unos 30º de la circunferencia, es decir, no era una vuelta completa de 1,5 m de diámetro. Era una bobina de 4 vueltas. Cada una de las 4 vueltas utilizó 3 hilos trenzados de 1 mm de diámetro con 250 hilos en cada hilo trenzado, 750 hilos en total. Con una bobina circular completa, el acoplamiento de potencia sería mejor; probablemente algo como el doble.

El espacio de la bobina era de unos 40 mm y, a pesar de todas las limitaciones, la disposición podía producir fácilmente 50 VRMS en la bobina del rotor sintonizado. La potencia necesaria en el rotor era de unos 2 W como máximo. Las brechas más pequeñas serán más efectivas.

La bobina del estator tenía dos condensadores de sintonización, uno en paralelo y otro para alimentar la alimentación de CA de 600 kHz. El voltaje de alimentación era de aproximadamente 30 VRMS, pero debido a la sintonización generaba aproximadamente 100 VRMS en la bobina. Un mejor cable trenzado mejoraría el voltaje y reduciría las pérdidas de energía: la bobina aumentó entre 5 y 10 ºC cuando operaba en condiciones ambientales. Este diseño también estaba limitado por un cable de alimentación de energía de entrada de 600 kHz de diámetro pequeño (alrededor de 3 mm para par trenzado apantallado) y el cable tenía una longitud de aproximadamente 10 metros; tener el generador de 600 kHz cerca de la bobina de alimentación es la forma de obtener más eficiencia en acoplamiento de potencia.

Además, la eficiencia no fue tan buena debido al espacio de 40 mm y la necesidad de funcionar a temperaturas cercanas a los 100 ºC.

Resumen : sí, puede transmitir potencia magnéticamente a través de un espacio y tener un bucle completo tanto en el primario como en el secundario se acoplará mucho mejor que el acoplamiento fraccional descrito anteriormente. Tener una brecha más pequeña también se acopla mucho mejor. El bucle de recepción descrito anteriormente tenía un solo giro porque también estaba acoplando datos desde la electrónica montada en la turbina; más giros en este devanado ayudarían. Intente hacer coincidir el perfil de la bobina de entrada y los giros con el perfil y los giros de recepción. El uso de material de ferrita no era práctico en este trabajo en particular, pero ayudaría.

Para responder a la pregunta que hizo, sí, es posible.

En términos generales, se puede hacer usando bobinas y material de ferrita con la bobina de un lado impulsada a alta frecuencia (la elección exacta depende de las características del material de ferrita) y la bobina del otro lado también alrededor de un núcleo de ferrita. Pero esto es solo un esquema porque este no es el lugar para dar un diseño completo.

Si desea investigar más, investigue los temas de las fuentes de alimentación conmutadas y la carga inalámbrica, por ejemplo, para teléfonos.