Manyetik Rezonansa Dayalı Kablosuz Enerji Transferi İçin Yeni Bir Nüve Geometrisi

Zafer Doğan; Mustafa Özsoy; İres İskender

doi:10.29109/gujsc.598300

Manyetik Rezonansa Dayalı Kablosuz Enerji Transferi İçin Yeni Bir Nüve Geometrisi

Öz

Kablosuz Enerji Transferi (KET) uygulamalarında en önemli hedef, verimli bir enerji transferi sağlamaktır. KET günümüzde cep telefonu şarjı, elektrikli araç şarjı, aydınlatma, kontrol vb. birçok alanda uygulanmaktadır. Yüksek verimi, çevresel olumsuz etkilerinin az olması gibi avantajlarından dolayı, manyetik rezonans yöntemi en çok tercih edilen KET yöntemidir. Manyetik rezonansa dayalı KET sistemlerinde, sistem verimini artırmak için yüksek verimli bir KET transformatörü kullanılmalıdır. Bu çalışmada manyetik rezonansa dayalı bir KET sisteminin tasarımı yapılmıştır. Bu amaçla öncelikle hibrit (hava-ferrit) nüveli özgün bir transformatör tasarlanmıştır. Transformatörün Dairesel-Dilimli Parçalı(D-DP) ferrit nüve yapısı ilk defa bu çalışmada kullanılmıştır. Transformatörün sargıları litz iletken olarak tasarlanmıştır. Transformatörde kaçak akıları en aza indirmek amacıyla sargıların dış yüzeylerine alüminyum levhalar kullanılarak manyetik akı sargılar arasında kalmaya zorlanmıştır. Tasarlanan transformatörün sonlu elemanlar yöntemi ile manyetik analizleri yapılmış ve sonuçları nümerik hesaplarla doğrulanmıştır. Manyetik analiz sonuçları kullanılarak, KET transformatörü simülasyon devresi üzerinden yüklenmiş ve % 97 verim ile elektrik enerjisi transferi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar D-DP ferrit nüve yapısının KET transformatörü uygulamalarında başarı ile kullanılabileceğini göstermiştir.

Anahtar Kelimeler

Kablosuz Enerji Transferi,Manyetik rezonans,Nüve

References

Referans1: E. Aydın, A. Pashei, E. Yıldırız, M. T. Aydemir, “Manyetik Rezonanslı Kuplaj ile Kablosuz Enerji Transferinde Hizalanmış ve Hizalanmamış Durumların Limitlerinin İncelenmesi,” Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, vol. 30, no. 3, pp.1-6, 2018.
Referans2: A. Pashei, E. Aydın, M. Polat, E. Yıldırız, M. T. Aydemir, “Elektrikli Araçlar için Temassız Güç Aktarım Sistemleri,” EMO Bilimsel Dergi, vol. 6, no 11, pp. 1-12, 2016.
Referans3: J. Shin, S. Shin,Y. Kim,S. Ahn,S. Lee, G. Jung, S.-J. Jeon,D.-H. Cho, “Design and Implementation of Shaped Magnetic-Resonance-Based Wireless Power Transfer System for Roadway-Powered Moving Electric Vehicles,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 61, no. 3, pp. 1179-1192, 2013.
Referans4: T. Imura, Y. Hori, “Maximizing Air Gap and Efficiency of Magnetic Resonant Coupling for Wireless Power Transfer Using Equivalent Circuit and Neumann Formula,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 10, October 2011, pp.4746-4752.
Referans5: H. Takanashi, Y. Sato, Y. Kaneko, S. Abe, T. Yasuda, “A large air gap 3 kW wireless power transfer system for electric vehicles,” 2012 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2012, pp. 269-274.
Referans6: A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances,” Science, vol. 317, no. 5834, pp. 83–86, 2007.
Referans7: M. Cederlöf. “Inductive Charging of Electrical Vehicles,” Stockholm: KTH, School of Electrical Engineering (EES), Electromagnetic Engineering”, Master Thesis, 2012.
Referans8: A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M Soljacic, “Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer,” Annals of Physics, vol. 323, no. 1,pp. 34–48, 2008.

Referans9: A. L. Máñez. “Optimization of Inductive Resonanat Coupling Links for low Power and Mid-Range Wireless Power Transfer”, Master Thesis, 2014.
Referans10: A. Ağçal, N. Bekiroğlu, S. Özçıra, ”Manyetik Rezonanslı Kuplaj ile Kablosuz Enerji Transferinde Hizalanmış ve Hizalanmamış Durumların Limitlerinin İncelenmesi,” Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, vol. 30, no. 3, pp. 67-73, 2018.
Referans11: R. Zhang, C. K. Ho, “MIMO Broadcasting for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 12, no. 5, pp. 1989-2001, 2013.
Referans12: J. M. Miller, O. C. Onar, M. Chinthavali, “Primary-Side Power Flow Control of Wireless Power Transfer for Electric Vehicle Charging,” IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 3, no. 1, pp. 147-162, 2014.
Referans13: K. Aditya, S. S. Williamson, “Design Guidelines to Avoid Bifurcation in a Series–Series Compensated Inductive Power Transfer System,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 66, no. 5, pp. 3973-3982, 2018.
Referans14: S. Ludvik, P. Mojca, B. V. Boštjan, “Optimization, design, and modeling of ferrite core geometry for inductive wireless power transfer,” International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, vol. 49, no. 1, pp. 145-155, 2015.
Referans15: T. Diekhans , R. W. De Doncker, “A Dual-Side Controlled Inductive Power Transfer System Optimized for Large Coupling Factor Variations and Partial Load,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 11, pp. 6320-6328, 2015.
Referans16: C. Panchal, S. Stegen, J. Lu, “Review of static and dynamic wireless electric vehicle charging system,” Engineering Science and Technology, an International Journal, vol. 21, no. 5, pp. 922-937, 2018.
Referans17: B. Fincan, Ö. Üstün, “A study on comparing analytical methods for coil design in high frequency wireless energy transfer,” 2015 IEEE PELS Workshop on Emerging Technologies: Wireless Power (2015 WoW), Daejeon, South Korea: IEEE. 2015.
Referans18: Y.Tezcan, H. Ünal, T. Sürgevil, M. Boztepe, “Optimum Coil Design Considering Skin and Proximity Effects for a Wireless Battery Charger of Electric Vehicle,” 2017 World Electro Mobility Conference, 2017.
Referans19: A. P. Sample, D. T. Meyer, J. R. Smith, “Analysis, Experimental Results, and Range Adaptation of Magnetically Coupled Resonators for Wireless Power Transfer,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 2, pp. 544-554, 2010.
Referans20: T. Imura, “Study on maximum air-gap and efficiency of Magnetic Resonant Coupling for Wireless Power Transfer using Equivalent Circuit,” 2010 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Bari, Italy, 2010.
Referans21: G. Buja, M. Bertoluzzo, and K. N. Mude, “Design and Experimentation of WPT Charger for Electric City Car,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, no. 12, pp. 7436-7447, 2015.
Referans22: S. Samanta, R. A. Kumar, “Small-Signal Modeling and Closed-Loop Control of a Parallel–Series/Series Resonant Converter for Wireless Inductive Power Transfer,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 66, no. 1, pp. 172-182, 2018.
Referans23: O. Kaplan “Kablosuz Güç Aktarımı İçin Karşılıklı Endüktans Hesaplama Aracının Geliştirilmesi,” Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, vol. 7, no. 1, pp. 37–48, 2019.
Referans24: J. Barranger, “Hysteresis and Eddy-Current Losses of a Transformer lamination Vieved as an application of the poynting Theorem,” NASA Technical Note, Cleveland, Ohio, 1965.
Referans25: M. Budhia, G. A. Covic, J. T. Boys, “Design and Optimization of Circular Magnetic Structures for Lumped Inductive Power Transfer Systems,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, no. 11, pp. 3096 – 3108, 2011.
Referans26: K. Ogawa, N. Oodachi, S. Obayashi, H. Shoki, “A study of efficiency improvement of wireless power transfer by impedance matching,” 2012 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission: Technologies, Systems, and Applications, Kyoto, Japan, 2012.
Referans27: S. Y. Choi, B. W. Gu, S. Y. Jeong, C. T. Rim, “Advances in Wireless Power Transfer Systems for Roadway-Powered Electric Vehicles,” IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 3, no. 1, pp. 18-36, 2014.
Referans28: S. Li, C. C. Mi, “Wireless Power Transfer for Electric Vehicle Applications,” IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 3, no. 1, pp. 4-17, 2014.
Referans29: O. C. Onar, J. M. Miller, S. L. Campbell, C. Coomer, C. P. White, L. E. Seiber, “Oak Ridge National Laboratory Wireless Power Transfer Development for Sustainable Campus Initiative,” 2013 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), Detroit, MI, USA, 2013.

Details

Primary Language

Turkish

Subjects

Engineering

Journal Section

Research Article

Authors

Zafer Doğan ^*
0000-0002-7953-0578
Türkiye

Mustafa Özsoy
0000-0002-7466-7743
Türkiye

İres İskender
0000-0003-1968-1857
Türkiye

Publication Date

December 24, 2019

Submission Date

July 29, 2019

Acceptance Date

November 30, 2019

Published in Issue

Year 2019 Volume: 7 Number: 4

DOI

https://doi.org/10.29109/gujsc.598300

IZ

https://izlik.org/JA94AA28YG

Cite

RIS / Bibtex

APA

Doğan, Z., Özsoy, M., & İskender, İ. (2019). Manyetik Rezonansa Dayalı Kablosuz Enerji Transferi İçin Yeni Bir Nüve Geometrisi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım Ve Teknoloji, 7(4), 1012-1024. https://doi.org/10.29109/gujsc.598300

Cited By

1 KW GÜCÜNDE KABLOSUZ ENERJİ TRANSFER SİSTEMİ TASARIMI VE İNSAN SAĞLIĞINA ETKİLERİ

Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi

https://doi.org/10.21923/jesd.936058