Kablosuz enerji transferinde kullanılan düzlemsel spiral kare, dikdörtgen ve DD bobinlerin öz endüktans hesabı
Self-inductance calculation of planar spiral square, rectangular and DD coils used in wireless energy transfer
Yazar: RAMAZAN ÇETİN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ AĞÇAL
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Bobin tasarımı = Coil design ; Elektrikli araçlar = Electric vehicles ; Endüktans = Inductance ; Enerji aktarımı = Energy transfer

Özet:
Bu tez çalışması Elektrikli Araçların (EA) Kablosuz Enerji Transferi (KET) için kullanılan düzlemsel spiral bobinler için öz endüktans hesabının yapılmasını amaçlamaktadır. Bobin ve sistem arasındaki etkileşimin daha iyi anlaşılması için bobinin öz endüktansı belirlenmelidir. Bobin tasarımında Sonlu Elemanlar Yöntemi kullanan (SEY) benzetim programları yüksek bir doğruluk sağlamaktadır. Ancak benzetimleri uzun sürelere ve yüksek bellek kapasitesine ihtiyaç duyar. Endüktans hesaplaması ve bobin tasarımı için doğruluk oranı yüksek, hızlı ve basit bir yapı kurulabilir. Bu tezde elektrikli araç KET sistemlerinde yaygın olarak kullanılan düzlemsel spiral kare, dikdörtgen ve çift D (DD) bobinler için endüktans hesabı yöntemi sunulacaktır. Elektrikli araçlar yüksek pil kapasitesi gereksinimi ve şarj sürelerinin fazla olması bir sorundur. Bu soruna çözüm olarak elektrikli araçları dinamik olarak yol üzerinde şarj etme fikri benimsenmiştir. Bu sebeple daha iyi hizalama toleransı sunan DD bobinler son dönemde KET sistemlerinde yaygınlaşmıştır. Bu çalışmada, çok düşük hata oranına sahip yeni bir öz endüktans hesaplama yöntemi önerilmiştir. Önerilen yöntem için Greenhouse ve Grover tarafından önerilen endüktans hesaplama denklemleri kullanılmıştır. Önerilen yöntem dış kenar uzunlukları, iletkenler arası mesafeler, sarım sayıları ve iletken çapları için farklı tasarım parametreleri için test edilmiştir. Bu değişken parametreler için farklı değerler belirlenerek bobin tasarımları yapılmıştır. Hesaplanan değerler ve ANSYS Maxwell 3D benzetim sonuçları karşılaştırılmıştır. Genel olarak bakıldığında düzlemsel spiral kare, dikdörtgen ve DD bobinler için öz endüktans hesabında mutlak hata oranları sırasıyla %0,4, %0,4 ve %0,15 altında olduğu görülmüştür. Ayrıca önerilen yöntem düzlemsel spiral kare bobin için literatürdeki diğer yöntemler ile karşılaştırılmıştır.

Abstract:
This thesis aims to calculate self-inductance for planar spiral coils used for Wireless Energy Transfer (WET) of Electric Vehicles (EV). In order to better understand the interaction between the coil and the system, the self-inductance of the coil should be determined. Simulation programs using Finite Element Method (FEM) in coil design provide high accuracy. However, their simulations require long times and high memory capacity. A fast and simple structure with high accuracy can be established for inductance calculation and coil design. In this thesis, the inductance calculation method for planar spiral square, rectangular and double D (DD) coils, which are widely used in electric vehicle KET systems, will be presented. Electric vehicles require high battery capacity and long charging times are a problem. As a solution to this problem, the idea of dynamically charging electric vehicles on the road has been adopted. For this reason, DD coils, which offer better alignment tolerance, have recently become widespread in WET systems. In this study, a new self-inductance calculation method with very low error rate is proposed. Inductance calculation equations proposed by Greenhouse and Grover were used for the proposed method. The proposed method has been tested for different design parameters for outer edge lengths, conductor spacing, number of turns and conductor diameters. Coil designs were made by determining different values for these variable parameters. Calculated values and ANSYS Maxwell 3D simulation results were compared. In general, the absolute error rates in self-inductance calculation for planar spiral square, rectangular and DD coils were below %0,4, %0,4 and %0,15, respectively. In addition, the proposed method is compared with other methods in the literature for square coil.