Designprinciper för högeffektiv trådlös energiöverföring - Design principles for high power wireless energy transfer

Abstract

Denna rapport undersöker hur enskilda geometriska designparametrar påverkar prestandan av ett trefasigt system för trådlös energiöverföring, med målet att identifiera principiella designkompromisser mellan hög effektöverföring, hög verkningsgrad och begränsad magnetfältsemission. Studien genomfördes med simuleringar i COMSOL Multiphysics och analytiska beräkningar. Utifrån en tidigare trefasig bipolär design med två lager av spolar ovanpå en ferritplatta designades en basmodell som modifierades med följande designparametrar: antal lindningsvarv, storlek, luftgap, kabelseparation, lagerseparation samt ferritplattans tjocklek och radie. Även en alternativ geometri för ferritplattan undersöktes, där en sarg av ferrit placerades kring spolarna. En simulation gjordes med ett mynt placerat ovanför sändaren för att undersöka om detta påverkade prestandan. Därefter beräknades maximal uteffekt utifrån tre driftfall: begränsad magnetfältsemission, begränsad ström, och begränsad effektförlust. Resultaten visar att en ökning av luftgapet drastiskt försämrade systemets prestanda, likaså var en ökad lagerseparation enbart negativ. Vidare fastslogs även ett optimum för verkningsgraden med 5 lindningsvarv. Både tillägget av en sarg av ferrit och ökning av ferritradien minskade magnetfältsemissionen. Ökad storlek av hela enheten ledde till högre verkningsgrad men samtidigt ökad magnetfältsemission. Slutligen fastslogs att små föremål inte har en nämnvärd påverkan på systemets prestanda. Den övergripande slutsatsen är att det krävs en kompromiss för majoriteten av designparametrarna, eftersom dessa inte entydigt förbättrar eller försämrar prestandan, utan påverkar uteffekten på olika sätt beroende på vilket av de tre driftfallen som sätter begränsningen för systemet.

This report investigates how individual geometric design parameters affect the performance of a three phase wireless power transfer system, with the aim of identifying basic necessary compromises in the design with redard to high power transfer, high efficiency, and limited magnetic field emissions. The study was conducted with simulations in COMSOL Multiphysics and analytical calculations. Based on a previous design of a bipolar three phase module with two layers of coils on top of a ferrite pad, a base model was designed, which was then modified using the following parameters: number of turns, total size, air gap, cable separation, layer separation, and the thickness and radius of the ferrite plad. An alternative geometry for the ferrite pad which included a rim that inclosed the coils was also analyzed. A simulation was conducted with a coin placed on top of the transmitter in order to determine whether this would affect the performance. Subsequently, the maximum output power was calculated for three distinct operational scenarios: limited magnetic field emissions, limited current, and limited power loss. The results show a drastic reduction in perfomance when increasing the air gap, as well as when increasing the layer separation. Furthermore, it was determined that an optimum for the windings was 5 turns when optimizing for efficiency. Adding a ferrite rim and increasing the radius of the ferrite reduced the magnetic field emission. An increase in the total size of the module led to improved efficiency but also higher magnetic field emissions. Finally it was determined that small foreign objects do not have a noticeable impact on the perfomance of the system. The overall conclusion is that there needs to be a compromise when optimizing the majority of the design parameters due to the fact that they are ambigious in their effect on the perfomance. Rather, they affect the transferred power in different ways depending on which of the three operational scenarios were used as limits for the system.