NUMERIČNO MODELIRANJE INDUKTIVNEGA SISTEMA ZA BREZŽIČNI PRENOS ELEKTRIČNE ENERGIJESTRAUCH, LUDVIK (Avtor) Pavlin, Mojca (Mentor) Bregar, Vladimir Boštjan (Komentor) induktivni sistem za brezžicni prenos eetuljaveferitna jedranumericno modeliranjeprogramsko okolje Comsol Multiphysicsprogramsko okolje Ansoft Maxwellprogramsko okolje Ansysparametrizacijaoptimizacijafaktor sklopitveinduktivnostfaktor kvalitetemagnetna zašcitaizgube v jedrihInduktivni sistem za brezžicni prenos elektricne energije predstavlja tehnicno in tržno zelo zanimiv nacin prenosa elektricne energije. Tudi v podjetju Kolektor Sikom, PE Magma razvijamo induktivne sisteme za brezžicni prenos elektricne energije za polnjenje prenosnih naprav v avtomobilski industriji, medicini in ostalih tržno zanimivih podrocjih. Doktorska disertacija opisuje numericno modeliranje induktivnega sistema za brezžicni prenos elektricne energije, ki je sestavljen iz oddajne in sprejemne tuljave z dodanima feritnima jedroma. Induktivni prenos se loci na resonancni in neresonancni prenos. Podrobno je obravnavan induktivni neresonancni prenos, saj je podjetje Kolektor Sikom, PE Magma usmerjeno v izdelavo tuljav z dodanimi feritnimi jedri in ne v izdelavo elektricnih vezij, ki omogocajo tudi resonancni prenos. Poleg tega vecina tržno zanimivih aplikacij za induktivni prenos uporablja polnjenje prenosnih naprav na majhnih razdaljah nekaj milimetrov, kjer je neresonancni prenos dovolj dobro primerljiv z resonancnim. V literaturi so predstavljeni vecinoma induktivni sistemi, sestavljeni iz oddajne in sprejemne tuljave brez feritnih jeder, ki se lahko opisujejo z analiticnimi ali empiricnimi enacbami. Dodana feritna jedra bistveno izboljšajo brezžicni prenos in služijo tudi kot magnetna zašcita pred magnetnimi polji iz strani oddajne in sprejemne tuljave. Vendar pa v literaturi ni predstavljenih enacb za opis induktivnega sistema z dodanimi feritnimi jedri, saj zaradi kompleksne geometrije feritnih jeder in nelinearnih lastnosti feritnega materiala analiticen pristop ni vec mogoc. Zato je nujno potrebno uporabiti programska okolja za numericno modeliranje induktivnega sistema z dodanimi feritnimi jedri. Tudi obstojeci numericni modeli v literaturi ne opisujejo vpliva vseh parametrov, ki vplivajo na induktivni sistem. Namen tega doktorskega dela je z numericnimi modeli: opisati, ovrednotiti in analizirati vpliv položaja oddajne in sprejemne tuljave z dodanimi feritnimi jedri, navesti možnosti izbire feritnih materialov iz stališca relativne permeabilnosti in magnetne zašcite, preuciti vpliv bakrene folije na magnetno zašcito, poiskati optimalno obliko feritnih jeder, izracunati induktivnosti tuljav z dodanim feritnim jedrom, preuciti vpliv zlaganja feritnih plošc, dolociti izgube v pletenicah razlicnih tuljav, ovrednotiti izgube v feritnih jedrih in na koncu še analizirati segrevanje tuljav s feritnimi jedri. Numericni modeli so tudi primerjani z izmerjenimi vrednostmi. V uvodnih poglavjih doktorske disertacije je predstavljen induktivni sistem za brezžicni prenos elektricne energije, sestavljen iz oddajne in sprejemne tuljave. Induktivni sistem je predstavljen preko razlicnih enacb in kljucnih parametrov: faktor sklopitve, faktor kvalitete in izkoristek prenosa. Razložena je tudi primerjava med induktivnim resonancnim in neresonancnim prenosom za induktivni sistem za brezžicni prenos elektricne energije. Nadalje sta predstavljena parametra tuljav induktivnost in ohmska upornost. Induktivnost je predstavljena iz izracuna preko teoreticnih in empiricnih metod, kjer je tudi naveden pregled literature izracuna induktivnosti zracnih tuljav razlicnih avtorjev. Ohmska upornost pa je sestavljena iz ciste ohmske upornosti, upornosti zaradi kožnega in sosedstvenega pojava. V nadaljevanju doktorske disertacije so opisani uporabljeni materiali in metode. Izracuni numericnih modelov so bili izvedeni v programskih okoljih Comsol Multiphysics in Ansoft Maxwell. Lastnosti uporabljenih feritnih materialov v modelih so izbrani na podlagi realnih materialov, ki jih industrijsko uporabljamo za tovrstne aplikacije. Nazadnje so razložene tudi metode merjenja in navedeni uporabljeni merilni instrumenti s katerimi so bile verificirane simulacije v programskih okoljih. V poglavju 5. Rezultati in razprava so z numericnimi modeli analizirani vplivi razlicnih geometrij in parametrov: faktor sklopitve k, induktivnost L, faktor kvalitete Q in magnetne zašcite, ki imajo vpliv na delovanje in lastnosti induktivnega sistema za brezžicni prenos elektricne energije. Vpliv spreminjanja položaja na faktor sklopitve je bil narejen na primeru geometrije oddajne in sprejemne tuljave z dodanima feritnima jedroma v vodoravni smeri, navpicni smeri in kotu med tuljavama. Ugotovljeno je bilo, da se z vecanjem razdalj v navpicni, vodoravni smeri in povecevanju kota med tuljavama faktor sklopitve k zmanjšuje. Dodatno so bile še primerjane med seboj vrednosti lastnih in medsebojnih induktivnosti tuljav z dodanima feritnima jedroma in razložen pojav negativnega faktorja sklopitve k. Iz stališca faktorja sklopitve k in magnetne zašcite je bila izvedena parametrizacija izbire razlicnih feritnih materialov preko vecanja relativne permeabilnosti na doloceni geometriji induktivnega sistema. Ugotovljeno je bilo, da ni smiselno višati relativne permeabilnosti preko dolocene vrednosti, saj s tem ne izboljšamo bistveno faktorja sklopitve k in magnetne zašcite. Nadalje je bila za izboljšanje magnetne zašcite na feritnih jedrih dodana tudi bakrena folija, ki še dodatno izboljša magnetno zašcito. Feritna jedra, ki se uporabljajo v induktivnem sistemu so razlicnih oblik kot so: feritni loncki, feritne plošce, E-jedra in U-jedra. V serijski proizvodnji je pri nacrtovanju induktivnih komponent pomemben kriterij poraba feritnega materiala. Zato je bila izvedena optimizacija induktivnega sistema sestavljenega iz tuljav z dodanimi feritnimi jedri iz feritnih palck. Ugotovljeno je bilo, da je za dosego visokega faktorja sklopitve k potrebno izbrati vecje število feritnih palck. S tem se doseže manjša poraba materiala in tudi manjša teža feritnega jedra. Poleg tega predstavlja vecje število feritnih palck dovolj dobro magnetno zašcito. Dodatno je bilo ugotovljeno, da je vpliv zamika kota na skupno razliko faktorja sklopitve k med feritnimi palckami na oddajni in sprejemni strani manjši v primeru vecjega števila feritnih palck. Iz stališca izracuna induktivnosti tuljav z dodanimi jedri, je bilo ugotovljeno, da so v literaturi predstavljene predvsem analiticne in empiricne enacbe za tuljave brez feritnih jeder. Zato je bil uveden nov faktor induktivnosti, ki omogoca hitrejši poenostavljeni izracun induktivnosti za tuljave z dodanimi feritnimi jedri v numericnih modelih. Zaradi omejitev pri izdelavi vecjih feritnih plošc v serijski proizvodnji je bila razložena tudi možnost izdelave preko tehnike zlaganja. Pri tem se sestavi vecjo feritno plošco iz vec majhnih feritnih plošc, kjer je potrebno izbrati kompromis med velikostjo zracne reže in številom majhnih feritnih plošc. Zlaganje feritnih plošc ne poslabša bistveno faktorja sklopitve k in magnetne zašcite. V induktivnem sistemu je zelo pomembno tudi dolociti izgube v tuljavah in feritnih jedrih. Tuljava, ki deluje v visokofrekvencnem obmocju nad 100 kHz je narejena iz pletenice, ki je sestavljena iz vec manjših vlaken. Iz stališca dolocitve izgub v pletenicah razlicnih tuljav je bilo narejenih vec analiz zracnih tuljav z razlicnim številom vlaken in številom ovojev. Izkaže se, da tuljava sestavljena iz pletenice predstavlja zelo kompleksno geometrijo za numericne modele, saj je le-ta sestavljena iz velikega števila med seboj prepletenih vlaken. Poleg tega geometrija pletenice ni enolicno dolocena in poznana, saj je zelo odvisna od izdelave proizvajalca. Ugotovljeno je bilo, da se je zaradi same kompleksnosti pletenice pri visokih frekvencah bolje odlociti za izdelavo konkretne tuljave in izvesti meritve upornosti ali pa uporabiti izracune upornosti in s tem izgub iz omenjene literature. Nadalje je bil pri doloceni geometriji izveden tudi izracun faktorja kvalitete Q obeh tuljav z dodanimi feritnimi jedri. Izgube v feritnih jedrih so bile dolocene preko numericnih modelov in kataloških podatkov feritnega proizvajalca. Iz primerjave velikosti prevladujocih izgub v induktivnem sistemu je bilo ugotovljeno, da se prevladujoce izgube nahajajo v tuljavah in ne v feritnih jedrih. Izracunane izgube v tuljavi in feritnih jedrih so bili nato vnesene še v termicni model. Ugotovljeno je bilo, da natancno poznavanje izgub v feritnih jedrih, ki najveckrat izhajajo iz kataloških podatkov materiala, ne prispeva pomembno k izboljšanju natancnosti modelov. Vse analize in izracuni razlicnih vplivov in parametrov na induktivni sistem so bili izvedeni s simulacijami v razlicnih numericnih modelih v programskih okoljih, ki so osnovani na metodi koncnih elementov. Rezultati specificnih numericnih modelov so bili primerjani z eksperimentalno dobljenimi vrednostmi. Razvoj numericnih modelov je omogocil natancen vpogled v delovanje sklopa oddajne in sprejemne tuljave z dodanima feritnima jedroma iz stališca elektromagnetnih in termicnih pojavov. Razviti numericni modeli bodo pripomogli k hitrejšemu in boljšemu nacrtovanju induktivnega sistema za brezžicni prenos elektricne energije.20162016-10-13 08:35:09Doktorsko delo/naloga86405sl