Kablosuz güç aktarım sistemleri için altıgen sargı tasarımı, endüktans hesabı ve gerçekleştirilmesi
Design, inductance calculation and implementation of hexagonal coil for wireless power transfer systems
Yazar: EMRULLAH AYDIN
Danışman: PROF. DR. MEHMET TİMUR AYDEMİR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kablosuz Güç Aktarım (KGA) sistemleri farklı güç seviyelerindeki batarya şarj işlemleri için temiz, güvenilir ve kolay bir yöntem olması nedeniyle gün geçtikçe daha yaygın bir kullanım alanına sahip olmaktadır. Literatürde, KGA sistemlerinde kullanılmak üzere birçok sargı yapısı önerilmiştir. Bunlardan biri olan altıgen sargı yapısı yüksek bağlaşım katsayısı, uygulama kolaylığı ve özellikle çoklu sargı yapılarında efektif alan kullanımı nedeniyle özellikle küçük güçlü uygulamalarda sıkça kullanılmıştır. Ancak bu sargı yapısının öz ve ortak endüktans değerlerinin hesaplanabilmesine yönelik kısıtlı çalışmalar mevcuttur ve bu çalışmalar genellikle birden fazla katsayının kullanıldığı karmaşık integral çözümlemeleri içermektedir. Öte yandan elektrikli araç bataryalarının şarjı gibi yüksek güçlü uygulamalarda ise kullanımına ilişkin çalışmalar ise yok denecek kadar azdır. Literatürdeki bu boşluğu doldurmak için, öncelikle altıgen bir sargının öz ve ortak endüktans hesaplamalarında akı dağılımlarının elde edilebilmesi için Biot-Savart Kuralı temel alınarak tek bir temel manyetik akı yoğunluğu denklemi kullanılmış ve geliştirilen algoritma yardımıyla en az hata ile endüktans hesaplamalarının yapılabilmesi için yeni bir nümerik yöntem önerilmiştir. Önerilen nümerik yöntemin doğrulanabilmesi için 10 cm ve 20 cm kenar uzunluklarına sahip altıgen sargılar 1.78 mm2 iletken kesitine sahip litz teli kullanılarak üretilmiş ve endüktans değerleri ölçülmüştür. Önerilen nümerik yöntem sonuçları mevcut yöntemler, benzetim çalışmaları ve ölçüm sonuçları ile karşılaştırılarak doğruluğu gösterilmiştir. Elde edilen endüktans formülleri kullanılarak 1 kW gücünde bir KGA sistem tasarımı gerçekleştirilmiş ve bu tasarım benzetim ve uygulama sonuçları ile doğrulanmıştır. Endüktans hesaplamalarının ölçüm sonuçları ile karşılaştırıldığında büyük oranda örtüştüğü görülmüştür. 1 kW gücündeki uygulama sonuçlarına göre %85 verimle 10 cm'lik bir hava aralığından kablosuz güç aktarımı başarılmıştır. Ayrıca daha iyi bir bağlaşım katsayısına sahip çift primer sargı yapısı önerisi yapılmış, benzetim ve deneysel sonuçlar verilmiştir.

Abstract:
Wireless Power Transfer (WPT) systems are becoming more popular since it is a clean, reliable and easy method for battery charging at different power levels. In the literature, several coil structures have been proposed for use in WPT systems. One of them, hexagonal coil, is frequently used especially in low power applications due to its high coupling coefficient, ease of application and effective use of space especially in multiple coil structures. However, there are limited work to calculate the self and mutual inductance values for this coil structure and these work have complicated process which require complex integral solutions by using several coefficients. On the other hand, in high-power applications such as charging of electric vehicle batteries, its use is very rare. In order to fill this knowledge gap, a new analytical method has been proposed in this thesis. A single basic magnetic flux density equation which is based on Biot-Savart Law was used in order to obtain flux distribution in a hexagonal coil for the self and mutual inductance calculations. In order to verify the results obtained with the analytical approach, two hexagonal coils with 10 and 20 cm outer side lengths were produced by using litz wire with a conductive cross section of 1.78 mm2. The results obtained with the new approach are compared with the Finite Element Analysis results, the other work presented in the literature and experimental results in order to prove the accuracy of the proposed method. The obtained inductance equations have been used to design a 1 kW WPT system with hexagonal coils. The theoretical and simulation results have been validated with an implementation in the laboratory and a DC-to-DC power efficiency of 85% is achieved across a 10 cm air gap between the coils. Furthermore, a novel double primary coil design is proposed in order to increase coupling coefficient and the proposed model has been validated by simulation and experimental results.