Quasi-three-phase phasor shielding for low-loss LCC-S wireless power transfer

تخيل عالماً تتدفق فيه الكهرباء عبر الهواء، وتنتقل من منصة الشحن إلى الجهاز دون سلك واحد. هذا هو الوعد الذي يقدمه نقل الطاقة لاسلكياً، وهي تقنية تعتمد على مجالات مغناطيسية غير مرئية لحمل الطاقة. ولجعل هذا العمل يتم بكفاءة، يصمم المهندسون دوائر خاصة تحافظ على تركيز الطاقة بين ملف إرسال وملف استقبال. ولكن، تماماً كما يلقي المصباح ظلاً، غالباً ما تتسرب هذه المجالات المغناطيسية خارج المسار المنشود. هذا "التسرب" يمكن أن يتداخل مع الإلكترونيات الأخرى أو يثير مخاوف تتعلق بالسلامة، لذا يلجأ المصممون غالباً إلى وضع ملف ثالث، يُعرف باسم الدرع، حول النظام. يعمل هذا الدرع مثل إسفنجة مغناطيسية، حيث يلتقط المجالات الشاردة ويلغيها. لكن هناك عقبة: فالدرع نفسه يستهلك طاقة للقيام بوظيفته، مما يقلل من الكفاءة الإجمالية للنظام. لقد كان التحدي دائماً يتمثل في إيجاد طريقة لوقف التسربات المغناطيسية دون إضاعة الكثير من الطاقة في هذه العملية.

لقد طور فريق من الباحثين من كوريا الجنوبية طريقة جديدة لحل هذه المشكلة تحديداً. فقد ركزوا على نوع شائع من إعدادات الشحن اللاسلكي ووجدوا طريقة لضبط النظام بحيث يعمل الدرع بجهد أكبر في إلغاء المجالات بينما يسحب تياراً أقل من مصدر الطاقة. نهجهم، الذي يسمونه "درع المتجهات شبه ثلاثي الأطوار" (Quasi-Three-Phase Phasor Shielding)، يتضمن تعديلاً دقيقاً للمكونات الكهربائية في كل من جانب الاستقبال وملف الدرع. فبدلاً من مجرد إضافة درع وقبول فقدان الطاقة، اكتشفوا أنه من خلال تغيير توقيت التيارات الكهربائية بشكل طفيف، يمكنهم تقليل العبء الواقع على الدرع. وفي اختباراتهم، سمح هذا التعديل للنظام بحظر التسرب المغناطيسي بنفس الفعالية السابقة، ولكن مع هدر طاقة أقل بكثير كحرارة في الملفات.

بدأ الباحثون بفحص سبب عدم كفاءة طريقة الدرع القياسية. في الإعداد التقليدي، يتسبب الاتصال المغناطيسي بين ملف الإرسال وملف الاستقبال ودرع الملف في انزياح التيارات الكهربائية بطريقة تضيق الفجوة بين توقيتاتها. هذا الضيق يجبر الدرع على العمل بجهد أكبر، حيث يسحب مزيداً من التيار لإنشاء مجال الإلغاء اللازم. أدرك الفريق أنه إذا تمكنوا من توسيع هذه الفجوة الزمنية مرة أخرى، فيمكنهم تقليل كمية التيار التي يحتاجها الدرع. ولتحقيق ذلك، قاموا بتعديل المكثفات — وهي مكونات تخزن الطاقة الكهربائية — في كل من دوائر الاستقبال والدرع. ومن خلال زيادة حجم هذه المكثفات، قاموا بتغيير الطور الكهربائي لملف الاستقبال، مما أدى فعلياً إلى توسيع فرق التوقيت بين المرسل والمستقبل.

كان لهذا التغيير تأثير متتابع في جميع أنحاء النظام. نظرًا لأن الفجوة الزمنية أصبحت أوسع، أصبح الجهد المستحث في ملف الدرع بواسطة الملفين الآخرين أصغر. وفي الوقت نفسه، زاد الباحثون من المقاومة الكهربائية لدائرة الدرع نفسها. أدت هذه التركيبة من جهد التشغيل الأصغر والمقاومة الأعلى إلى انخفاض التيار المتدفق في ملف الدرع بشكل كبير. وفي محاكاة الحاسوب الخاصة بهم، قلل هذا التعديل التيار في ملف الدرع مع الحفاظ في الوقت ذات نفسه على إلغاء قوي للمجال المغناطيسي. وكانت النتيجة هي أن النظام حظر 71.9% من التسرب المغناطيسي مقارنة بنظام غير محمي، وهو رقم أفضل قليلاً من نسبة 70.0% التي حققتها الطريقة التقليدية. والأهم من ذلك، تحسنت الكفاءة الإجمالية لنقل الطاقة، حيث ارتفعت من 85.2% في الإعداد القياسي إلى 86.3% في تكوينهم الجديد.

ولإثبات أن هذه النتائج لم تكن مجرد نظريات، قام الفريق ببناء نموذج أولي مادي واختبروه في مختبر. استخدموا حملاً قدره 6.4 أوم وشغلوا النظام بتردد 83.77 كيلو هرتز. وعندما قاموا بقياس التيارات الفعلية المتدفقة عبر الأسلاك، تطابقت النتائج مع توقعاتهم بدقة. زاد فرق التوقيت بين ملف الإرسال وملف الاستقبال من حوالي 85.6 درجة إلى 97.2 درجة. تسبب هذا التحول في انخفاض التيار في ملف الدرع بنسبة 2.5% تقريباً، وهو خفض كبير في الطاقة المهدرة بواسطة الدرع. ورغم حمل تيار أقل، ظل الدرع فعالاً. فعندما قاس الباحثون المجال المغناطيسي على مسافات مختلفة من الجهاز، أنتجت الطريقة الجديدة باستمرار مستويات مجال أقل من النهج التقليدي. فعلى مسافة 250 ملم، على سبيل المثال، انخفضت قوة المجال إلى 0.150 ميكرو تسلا، مقارنة بـ 0.174 ميكرو تسلا مع الدرع القياسي.

كما تم تأكيد مكاسب الكفاءة في الاختبارات الواقعية. فقد تحسنت كفاءة التيار المباشر للنظام، والتي تقيس مقدار الطاقة التي تصل من المصدر إلى الحمل، من 81.76% مع الدرع التقليدي إلى 83.04% مع الطريقة الجديدة. يوضح هذا التحسن أن النظام لا يحجب المجالات بشكل أفضل فحسب، بل يفعل ذلك أيضاً باحتكاك داخلي أقل. وأشار الباحثون إلى أن ملف الاستقبال استمر في حمل كمية مماثلة من التيار في كلا الإعدادين، مما يثبت أن توصيل الطاقة إلى الحمل لم يتأثر. بدلاً من ذلك، جاء الانخفاض في الفقد بالكامل من الدرع وملف الإرسال، اللذين حملا تياراً أقل في التكوين الجديد.

يسلط هذا العمل الضوء على مبدأ دقيق ولكنه قوي في الهندسة: أحياناً تكون أفضل طريقة لتحسين نظام ما ليست بإضافة المزيد من الطاقة أو المكونات الأكبر، بل بضبط العلاقة بين المكونات الموجودة. فمن خلال التعامل مع ملف الإرسال وملف الاستقبال والدرع كنظام واحد مترابط بدلاً من أجزاء منفصلة، وجد الباحثون طريقة لتحسين تدفق الطاقة. إن نهجهم، الذي يصفونه بأنه نهج "شبه ثلاثي الأطوار"، لا يتطلب مصدراً منفصلاً للطاقة للدرع أو تغييراً في الشكل الفيزيائي للملفات. بل يعتمد كلياً على ضبط التوقيت الكهربائي والمقاومة النوعية. وتشير النتائج إلى أن أنظمة الشحن اللاسلكي المستقبلية يمكن تصميمها لتكون أكثر أماناً، من خلال إبقاء المجالات المغناطيسية منخفضة، وأكثر كفاءة، عبر تقليل الطاقة المهدرة في الآليات المصممة لحمايتنا من تلك المجالات.