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

कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया है जहाँ बिजली हवा में बहती है, बिना किसी तार के एक चार्जिंग पैड से डिवाइस तक कूदती है। यह वायरलेस पावर ट्रांसफर का वादा है, एक ऐसी तकनीक जो ऊर्जा को ले जाने के लिए अदृश्य चुंबकीय क्षेत्रों पर निर्भर करती है। इसे कुशलतापूर्वक काम करने के लिए, इंजीनियर विशेष सर्किट डिजाइन करते हैं जो ऊर्जा को एक भेजने वाले कॉइल (sending coil) और एक प्राप्त करने वाले कॉइल (receiving coil) के बीच केंद्रित रखते हैं। हालाँकि, जिस तरह एक बल्ब छाया डालता है, ये चुंबकीय क्षेत्र अक्सर अपने इच्छित पथ से बाहर निकल जाते हैं। यह "लीकेज" (leakage) अन्य इलेक्ट्रॉनिक्स में हस्तक्षेप कर सकता है या सुरक्षा संबंधी चिंताएं पैदा कर सकता है, इसलिए डिजाइनर अक्सर सिस्टम के चारों ओर एक तीसरा कॉइल, जिसे शील्ड (shield) कहा जाता है, लगाते हैं। यह शील्ड एक चुंबकीय स्पंज की तरह कार्य करती है, जो बिखरे हुए क्षेत्रों को पकड़ लेती है और उन्हें रद्द कर देती है। लेकिन इसमें एक पेंच है: शील्ड अपना काम करने के लिए खुद ऊर्जा की खपत करती है, जिससे सिस्टम की समग्र दक्षता कम हो जाती है। चुनौती हमेशा इस बात को खोजने की रही है कि ऊर्जा को बहुत अधिक बर्बाद किए बिना चुंबकीय लीकेज को कैसे रोका जाए।

दक्षिण कोरिया के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस विशिष्ट समस्या को हल करने के लिए एक नया तरीका विकसित किया है। उन्होंने एक सामान्य प्रकार के वायरलेस चार्जिंग सेटअप पर ध्यान केंद्रित किया और पाया कि सिस्टम को इस तरह से ट्यून किया जा सकता है कि शील्ड ऊर्जा के स्रोत से कम करंट लेते हुए क्षेत्रों को रद्द करने में अधिक प्रभावी ढंग से काम करे। उनका दृष्टिकोण, जिसे वे "क्वासी-थ्री-फेज फेजर शील्डिंग" (Quasi-Three-Phase Phasor Shielding) कहते हैं, रिसीविंग एंड और शील्डिंग कॉइल दोनों पर विद्युत घटकों के एक सूक्ष्म समायोजन पर आधारित है। केवल एक शील्ड जोड़ने और ऊर्जा हानि को स्वीकार करने के बजाय, उन्होंने पाया कि विद्युत धाराओं के समय (timing) में थोड़ा बदलाव करके, वे शील्ड पर पड़ने वाले बोझ को कम कर सकते हैं। अपने परीक्षणों में, इस समायोजन ने सिस्टम को पहले की तरह ही प्रभावी ढंग से चुंबकीय लीकेज को रोकने की अनुमति दी, लेकिन कॉइल्स में गर्मी के रूप में बहुत कम ऊर्जा बर्बाद हुई।

शोधकर्ताओं ने पहले इस बात की जांच की कि मानक शील्डिंग विधि अक्षम क्यों थी। एक विशिष्ट सेटअप में, भेजने वाले कॉइल, प्राप्त करने वाले कॉइल और शील्ड कॉइल के बीच का चुंबकीय संबंध विद्युत धाराओं को इस तरह से स्थानांतरित करता है जिससे उनके समय (timing) के बीच का अंतर कम हो जाता है। यह संकुचन शील्ड को अधिक मेहनत करने के लिए मजबूर करता है, जिससे आवश्यक रद्दीकरण क्षेत्र (cancellation field) बनाने के लिए अधिक करंट खींचना पड़ता है। टीम ने महसूस किया कि यदि वे इस समय अंतराल को फिर से चौड़ा कर सकें, तो वे उस करंट को कम कर सकते हैं जिसे शील्ड को खींचने की आवश्यकता होती है। ऐसा करने के लिए, उन्होंने रिसीवर और शील्डिंग सर्किट दोनों में कैपेसिटर (capacitors)—जो विद्युत ऊर्जा को संग्रहीत करते हैं—को समायोजित किया। इन कैपेसिटरों के आकार को बढ़ाकर, उन्होंने रिसीवर कॉइल के इलेक्ट्रिकल फेज को बदल दिया, जिससे प्रभावी रूप से सेंडर और रिसीवर के बीच का टाइमिंग अंतर बढ़ गया।

इस परिवर्तन का पूरे सिस्टम पर एक क्रमिक प्रभाव पड़ा। क्योंकि टाइमिंग गैप व्यापक था, इसलिए अन्य दो कॉइल्स द्वारा शील्ड कॉइल में प्रेरित वोल्टेज छोटा हो गया। साथ ही, शोधकर्ताओं ने शील्ड सर्किट की विद्युत प्रतिरोधकता (electrical resistance) को बढ़ा दिया। छोटे ड्राइविंग वोल्टेज और उच्च प्रतिरोध के संयोजन का अर्थ था कि शील्ड में बहने वाला करंट काफी कम हो गया। अपने कंप्यूटर सिमुलेशन में, इस समायोजन ने बिना चुंबकीय क्षेत्र को रद्द किए, शील्ड कॉइल में करंट को कम कर दिया। परिणाम यह था कि सिस्टम ने अनशील्डेड सिस्टम की तुलना में 71.9% चुंबकीय लीकेज को ब्लॉक किया, जो पारंपरिक विधि द्वारा प्राप्त 70.0% से थोड़ा बेहतर है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि पावर ट्रांसफर की समग्र दक्षता में सुधार हुआ, जो मानक सेटअप में 85.2% से बढ़कर उनके नए कॉन्फ़िगरेशन में 86.3% हो गई।

इन निष्कर्षों को केवल सैद्धांतिक साबित करने के लिए, टीम ने एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाया और प्रयोगशाला में इसका परीक्षण किया। उन्होंने 6.4 ओहम का लोड उपयोग किया और सिस्टम को 83.77 kHz की आवृत्ति पर संचालित किया। जब उन्होंने तारों के माध्यम से बहने वाले वास्तविक करंट को मापा, तो परिणाम उनके अनुमानों से काफी मेल खाए। भेजने वाले और प्राप्त करने वाले कॉइल्स के बीच का समय अंतर लगभग 85.6 डिग्री से बढ़कर 97.2 डिग्री हो गया। इस बदलाव के कारण शील्ड कॉइल में करंट लगभग 32.5% गिर गया, जो शील्ड द्वारा बर्बाद की जाने वाली ऊर्जा में एक बड़ी कमी है। कम करंट ले जाने के बावजूद, शील्ड प्रभावी बनी रही। जब शोधकर्ताओं ने विभिन्न दूरियों पर डिवाइस से चुंबकीय क्षेत्र को मापा, तो नया तरीका लगातार पारंपरिक दृष्टिकोण की तुलना में कम फील्ड स्तर प्रदर्शित करता रहा। उदाहरण के लिए, 250 मिलीमीटर की दूरी पर, फील्ड स्ट्रेंथ को 0.150 माइक्रो टेस्ला तक कम कर दिया गया, जबकि मानक शील्ड के साथ यह 0.174 माइक्रो टेस्ला थी।

दक्षता में लाभ की पुष्टि वास्तविक दुनिया के परीक्षणों में भी हुई। सिस्टम की डायरेक्ट करंट एफिशिएंसी (direct current efficiency), जो यह मापती है कि कितनी शक्ति स्रोत से लोड तक पहुँचती है, पारंपरिक शील्ड के साथ 81.76% से बढ़कर नए तरीके के साथ 83.04% हो गई। यह सुधार दर्शाता है कि सिस्टम न केवल क्षेत्रों को बेहतर ढंग से ब्लॉक कर रहा है, बल्कि वह ऐसा कम आंतरिक घर्षण के साथ कर रहा है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि रिसीवर कॉइल दोनों सेटअप में समान मात्रा में करंट ले जाना जारी रखती है, जो यह सिद्ध करता है कि लोड को बिजली की आपूर्ति से समझौता नहीं किया गया है। इसके बजाय, नुकसान में कमी पूरी तरह से शील्ड और भेजने वाले कॉइल से आई, क्योंकि नए कॉन्फ़िगरेशन में दोनों ही कम करंट ले रहे थे।

यह कार्य इंजीनियरिंग के एक सूक्ष्म लेकिन शक्तिशाली सिद्धांत को उजागर करता है: कभी-कभी सिस्टम को बेहतर बनाने का सबसे अच्छा तरीका अधिक शक्ति या बड़े घटक जोड़ना नहीं होता, बल्कि मौजूदा घटकों के बीच के संबंध को सूक्ष्मता से ट्यून करना होता है। भेजने वाले कॉइल, प्राप्त करने वाले कॉइल और शील्ड को अलग-अलग हिस्सों के बजाय एक एकल, परस्पर जुड़े हुए सिस्टम के रूप में मानकर, शोधकर्ताओं ने ऊर्जा के प्रवाह को अनुकूलित करने का एक तरीका खोजा। उनका तरीका, जिसे वे "क्वासी-थ्री-फेज" दृष्टिकोण कहते हैं, इसके लिए शील्ड के लिए अलग पावर सोर्स या कॉइल्स के भौतिक आकार में बदलाव की आवश्यकता नहीं रखता है। यह पूरी तरह से इलेक्ट्रिकल टाइमिंग और इम्पीडेंस (impedance) को समायोजित करने पर निर्भर करता है। ये निष्कर्ष बताते हैं कि भविष्य के वायरलेस चार्जिंग सिस्टम को सुरक्षित (चुंबकीय क्षेत्रों को कम रखकर) और अधिक कुशल (उन तंत्रों पर कम ऊर्जा बर्बाद करके जो हमें बचाने के लिए बनाए गए हैं) दोनों बनाया जा सकता है।