ОЦІНКА ТОЧНОСТІ МОДЕЛІ ДВОШАРОВОЇ КОТУШКИ ІНДУКТИВНОСТІ ДЛЯ БЕЗДРОТОВОЇ ПЕРЕДАЧІ ЕНЕРГІЇ ЗА ДОПОМОГОЮ МЕТОДУ СКІНЧЕНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

УДК:621.3.08

DOI:10.25140/2411-5363-2019-3(17)-188-196

Автор:

Шевченко Віктор Олександрович , Чернігівський національний технологічний університет (вул. Шевченка, 95, м. Чернігів, 14035, Україна)

Кондратенко Ігор Петрович , Інститут електродинаміки НАН України (просп. Перемоги,56, м. Київ, 03057, Україна).

Гусев Олександр Олександрович , Чернігівський національний технологічний університет (вул. Шевченка, 95, м. Чернігів, 14035, Україна)

Хоменко Олег Борисович , Чернігівський національний технологічний університет (вул. Шевченка, 95, м. Чернігів, 14035, Україна)

Тительмаєр Костянтин Олександрович , Чернігівський національний технологічний університет (вул. Шевченка, 95, м. Чернігів, 14035, Україна)

Мова статті: українська

Анотація:

Актуальність теми дослідження. Ця тема є актуальною у зв’язку зі зростаючим попитом та інтересом до бездротових зарядних пристроїв з боку дослідників та користувачів. 
Постановка проблеми. У процесі розробки систем бездротової передачі енергії дослідникам потрібно проектувати котушки індуктивності з різною точністю параметрів відповідно до поставлених завдань. Тому необхідно знати, наскільки точно можна розробити модель котушки індуктивності в одному з популярних пакетів. 
Аналіз останніх досліджень і публікацій. Були розглянуті останні публікації про різні програми, що використовуються для моделювання електромагнітних процесів. З джерел про будову котушок індуктивності зібрано необхідну інформацію для аналізу й порівняння. 
Виділення недосліджених частин загальної проблеми. Досі не було зібрано та узагальнено у зручному для порівняння вигляді інформацію про різні структури, будову і складові котушок індуктивності для бездротової передачі енергії. Питанню точності моделей котушок індуктивності у програмах, що ґрунтуються на методі скінчених елементів, також не приділялось достатньо уваги. 
Постановка завдання. Основне завдання полягає в оцінці точності моделювання двох однакових двошарових котушок для бездротової передачі електроенергії у відповідній програмі за методом скінчених елементів. 
Виклад основного матеріалу. Проведено аналіз структури індуктивностей, а саме геометрії обмотки, форми й матеріалу феритового осердя та його ролі екранування електромагнітного поля та направлення потоку магнітної індукції на значення індуктивності. Розроблено та запропоновано спрощену модель індуктивності й визначено її електромагнітні параметри.  
Висновки відповідно до статті. Підтверджено результати моделювання двошарових котушок, чим доведено, що ANSYS EM Suite є точним та надійним інструментом і навіть спрощені моделі індуктивностей цілком задовольняють вимоги інженерів та дослідників. 

Ключові слова:

бездротова передача енергії; індуктивна передача енергії; геометрія котушки; магнітний потік; форма осердя; екранування; моделювання методом скінчених елементів, двошарова котушка

Список використаних джерел:

1. Kan T., Nguyen T., White J. C., Malhan R. K., Mi C. C. A New Integration Method for an Electric  Vehicle  Wireless  Charging  System  Using  LCC  Compensation  Topology:  Analysis  and Design. I17 Transactions on Power Electronics. Feb. 2017. Vol. 32, no. 2. Р. 1638-1650. 
2.  Bosshard  R.,  Kolar  J.  W.,  Wunsch  B.  Accurate  finite-element  modeling  and  experimental verification  of  inductive power transfer coil  design. I17 Applied Power Electronics Conference and Exposition - APEC 2014. Fort Worth. 2014. TX. Р. 1648-1653. 
3. Knaisch K., Springmann M., Gratzfeld P. Comparison of coil topologies for inductive power transfer  under  the  influence  of  ferrite  and  aluminum.  2016  Eleventh  International  Conference  on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER). Monte Carlo, 2016. Р. 1-9. 
4.  Dai  Z.,  Wang  J.,  Long  M.,  Huang  H.  A.  Witricity-Based  High-Power  Device  for  Wireless Charging of Electric Vehicles. Energies. 2017. № 10. Р. 323. 
5. Ongayo D., Hanif M. Comparison of circular and rectangular coil transformer parameters for wireless  Power  Transfer  based  on  Finite  Element  Analysis.  I17  13th  Brazilian  Power  Electronics Conference and 1st Southern Power Electronics Conference (COBEP/SPEC). Fortaleza, 2015. Р. 1-6. 
6. Bosshard R., Kolar J. W., Mьhlethaler J., Stevanović I., Wunsch B., Canales F. Modeling and η-α-Pareto  Optimization  of  Inductive  Power  Transfer  Coils  for  Electric  Vehicles.  I17  Journal  of Emerging and Selected Topics in PowerElectronics. March 2015. Vol. 3, no. 1. Р. 50-64.  
7. Valtchev S., Borges B., Brandisky K., Klaassens J. B. Resonant Contactless Energy Transfer With Improved Efficiency. I17 Transactions on Power Electronics. March 2009. Vol. 24, no. 3. Р. 685-699.  
8. Nicolay P., Lenzhofer M. A Wireless and Passive Low-Pressure Sensor. Sensors. 2014. № 14. Р. 3065-3076. 
9. Tan L., Li J., Chen C., Yan C., Guo J., Huang X. Analysis and Performance Improvement of WPT Systems in the Environment of Single Non-Ferromagnetic Metal Plates. Energies. 2016. № 9. Р. 576. 
10.  Bosshard  R.,  Muhlethaler  J.,  Kolar  J.  W.,  Stevanovic  I.  Optimized  magnetic  design  for inductive power transfer coils. Proc. 28th APEC. 2013. Р. 1812–1819. 
11.  Zaheer  A.,  Hao  H.,  Covic  G.  A.,  Kacprzak  D.  Investigation  of  Multiple  Decoupled  Coil Primary  Pad  Topologies  in  Lumped  IPT  Systems  for  Interoperable  Electric  Vehicle  Charging.  I17 Transactions on Power Electronics. April 2015. Vol. 30, no. 4. Р. 1937-1955.  
12. Chen W., Liu C., Lee C. H., Shan Z. Cost-Effectiveness Comparison of Coupler Designs of Wireless Power Transfer for Electric Vehicle Dynamic Charging. Energies. 2016. № 9. Р. 906. 
13. Zuo P., Wu X., Li W., Liu W. Design of wireless energy transfer system based on coupled magnetic resonances. I17 International Conference on Aircraft Utility Systems (AUS). Beijing, 2016. Р. 527-532. 
14. Zahid Z. U. et al. Design and control of a single-stage large air-gapped transformer isolated battery charger for wide-range output voltage for EV applications. I17 Energy Conversion Congress and Exposition. Denver, CO, 2013. Р. 5481-5487. 
15. Shevchenko V., Karlov O., Husev O., Kondratenko I., Pakhaliuk B. Coil Design for Wireless Power  Transfer  with  Series-Parallel  Compensation.  I17  2nd  Ukraine Conference  on  Electrical  and Computer Engineering (UKRCON). July, 2019. 
16. Cho J., Sun J., Kim H., Fan J., Lu Y., Pan S. Coil design for 100 KHz and 6.78 MHz WPT system :Litz and solid wires and winding methods. I17 International Symposium on Electromagnetic Compatibility & Signal/Power Integrity (EMCSI). Washington, DC, 2017. Р. 803-806. 
17.  Knaisch  K.,  Gratzfeld  P.  Comparison  of  magnetic  couplers  for  inductive  electric  vehicle charging using accurate numerical simulation and statistical methods. 5th International Electric Drives Production. 2015. Р. 1-10.  
18. Patil D., McDonough M. K., Miller J. M., Fahimi B., Balsara P. T. Wireless Power Transfer for  Vehicular  Applications:  Overview  and  Challenges.  I17  Transactions  on  Transportation Electrification. March 2018. Vol. 4, no. 1. Р. 3-37. 
19.  Kim  J.et  al.  Coil  Design  and  Shielding  Methods  for  a  Magnetic  Resonant  Wireless  Power Transfer System. Proceedings of the I17. June 2013. Vol. 101, no. 6. Р. 1332-1342. 

Завантажити