Kablosuz güç transfer sistemleri için devre modeli temelli çevrim tasarımı

Abstract

Bu tez çalışmasında kablosuz güç transfer sistemleri ve bu sistemlerde kullanılan çevrim yapılarının yanal hizalanma bozulmalarına karşı toleransı incelenmiştir. İlk olarak yaygın çevrim yapılarının toleransları, simülasyon ortamında yapılan analizler ile incelenmiştir. İnceleme sonucunda dikdörtgensel çevrimlerin, uzun kenarı üzerindeki hizalanma bozulmalarına karşı daha yüksek toleransa sahip olduğu görülmüştür. Bu bulgu doğrultusunda artı şekilli çevrim adında aynı geometrik merkeze sahip olan iki özdeş alt birim dikdörtgensel çevrimden oluşan yeni bir çevrim tasarımı önerilmiş ve daha yüksek toleransa sahip olacağı öngörülmüştür. Bu öngörü, ilk olarak simülasyon ortamında farklı boyutta artı şekilli çevrimlerin analizleri ile teyit edilmiştir. Ardından üretilen artı şekilli çevrim çiftlerinin ölçümleri deney ortamında gerçekleştirilmiş ve bu öngörü bir kez daha teyit edilmiştir. Ferrit bloklarının çevrim çiftlerinin üzerine olan etkisi de simülasyon aracılığı ile incelenmiş ve kablosuz güç transfer sisteminin güç iletim verimini iyileştirdiği görülmüştür. Son olarak 100 cm x 70 cm boyutlarında artı şekilli çevrim çifti, bakır borular kullanılarak üretilmiş ve frekans ayarlı bir sistemde kullanılarak hizalanma bozulmalarına karşı toleransı incelenmiştir. Yapılan simülasyonlar ve ölçümler sonucunda artı şekilli çevrim yapısının, yanal hizalanma bozulmalarına karşı daha yüksek toleransa sahip olduğu kanısına varılmıştır.

In this thesis, wireless power transfer systems and the effect of lateral misalignment on the coil structures used in these systems are examined. The misalignment tolerance of commonly used coil structures is analyzed through electromagnetic simulations. The results showed that the rectangular coils exhibit better misalignment tolerance along their longer side. This finding has been followed by a novel coil design, called cross-shape coil which consists of two identical subunit rectangular coils with the same centroid, and it is considered to have better misalignment tolerance. Initially, electromagnetic simulations performed on cross-shape coils with varying sizes verified the advantages of the proposed coil structure. Fabricated cross-shape coils are measured using a network analyzer and the same outcome is observed. The effect of ferrite layers on coils is also examined through simulations and the results showed an improvement in the power transfer efficiency of wireless power transfer system. Finally, a cross-shape coil consisting of 100 cm x 70 cm subunit rectangular coils are fabricated with copper tubes and utilized in a frequency-tuned wireless power transfer system to further examine its misalignment tolerance. Simulations and measurements confirmed that the cross-shape coil design exhibit better lateral misalignment tolerance.