Возможности HFSS: моделирование технологий беспроводной зарядки

С развитием IT-технологий появляется все больше устройств, требующих нестандартного решения задач электромагнитного взаимодействия. Например, в последнее время становятся все более популярными чехлы для телефонов с возможностью беспроводной зарядки при помощи магнитного резонанса, магнитной индукции. Все чаще появляются и другие устройства, обладающие функцией радиочастотного сбора энергии.

IoT-устройства и их беспроводная зарядка

Несколько десятилетий назад Никола Тесла разрабатывал технологии беспроводной передачи энергии, и, наконец, в 2019 году его мечта начинает воплощаться в жизнь. Технологии беспроводной передачи энергии активно внедряются в современные IoT-системы. Устройства с возможностями беспроводной зарядки могут получать энергию, находясь на расстоянии до 10 метров от передатчика. При этом между передатчиком и приемником не требуется обеспечивать прямую видимость.

Главная проблема при передаче энергии по радиочастотам заключается в том, что нормативные стандарты и санитарные нормы ограничивают мощность, которая может быть передана по воздуху. Несмотря на то, что радиочастотная передача энергии обладает большой пространственной свободой, беспроводная зарядка устройств большой мощности может стать проблемой ввиду длительного времени зарядка батареи. Таким образом, беспроводная передача энергии лучше всего подходит для маломощных датчиков и небольших IoT-устройств. Передача энергии по радиочастотам может гарантировать, что IoT устройство будет получать необходимый заряд батареи и освободит от необходимости замены его батареи.
 

Магнитная индукция Qi и магнитный резонанс AirFuel

Беспроводная зарядка может быть реализована с помощью магнитной индукции на основе стандарта Qi, которую использует большинство современных мобильных телефонов. Этот метод зарядки популярен в связи с простотой его реализации. Однако использовать устройства на основе передачи энергии с помощью магнитной индукции не очень удобно. Как только меняется положение устройства в пространстве, эффективность передачи энергии падает, что приводит к увеличению времени зарядки таких устройств. Уменьшение эффективности зарядки – не единственная трудность, устройство также испытывает повышенное тепловыделение. Частично эти проблемы решает стандарт магнитного резонанса AirFuel.

Магнитный резонанс обеспечивает беспроводную зарядку с лучшей пространственной свободой

Устройства, использующие магнитный резонанс, являются более универсальными, так как магнитный резонанс обладает лучшей температурной стабильностью и может заряжать сразу несколько устройств. Одним из самых значимых преимуществ устройств с магнитным резонансом является то, что они не требуют взаимного выравнивания приемника и передатчика. Это позволяет использовать магнитный резонанс для заряда целой группы устройств на рабочем месте или в автомобиле:

Комбинированное использование магнитного резонанса и магнитной индукции

Одним из примеров компаний, разрабатывающих устройства для беспроводной зарядки является PowerSphyr - участник программы стартапов ANSYS.
Компания делает чехлы для телефона PowerSphyr SkyCurrent, позволяющих заряжать iPhone с помощью технологий магнитного резонанса и магнитной индукции одновременно:
 

Зарядные устройства PowerSphyr могут заряжать до восьми устройств AirFuel по беспроводной связи посредством магнитного резонанса. Зарядное устройство может также питать устройства Qi, которые совмещаются с областями его индукционной зарядки. Чтобы эти две технологии хорошо сочетались друг с другом, PowerSphyr использовал ANSYS HFSS. Программное обеспечение ANSYS помогает рассчитать все необходимые характеристики такого устройства. HFSS может моделировать различные материалы и сложные модели в трехмерной среде в заданном диапазоне частот. Это может уменьшить количество расчетов и обеспечить точные прогнозы магнитных полей или излучения, генерируемого системой. Ниже приведена симуляция беспроводной зарядки в HFSS. Моделирование показывает однородное магнитное поле, создаваемое двухрежимными катушками. Эти катушки используются для магнитно-резонансной и магнитно-индукционной зарядки: HFSS помогает прогнозировать производительность системы при мультирежимной работе, поэтому инженеры компании PowerSphyr могут принимать обдуманные решения по проектированию на ранних этапах разработки продукта.

Ссылка на источник:

Wireless Charging Technologies: Magnetic Resonance vs. Magnetic Induction vs. RF Harvesting