Farklı düzlemsel bobin tiplerinde kalite faktörünün iyileştirilmesi için optimizasyon algoritmalarının performans değerlendirmesi
Performance evaluation of optimization algorithms for improvement of quality factor in different planar coil types
Yazar: RÜMEYSA COŞDU
Danışman: PROF. DR. İLHAN İLHAN ; DOÇ. DR. EMREHAN YAVŞAN
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Nikola Tesla ile başlayan kablosuz güç transferi araştırmaları temelde iki ana gruba ayrılmaktadır. Bunlar yakın alan ve uzak alan güç transferi teknolojileridir. Uzak alan enerji transferi yüksek frekanslarda elektromanyetik dalgaların yayınımı ile gerçekleşmektedir ve uzak mesafelere enerji transferi için uygun bulunmaktadır. Ancak uzak alan teknolojisi 10 MHz ve üzeri frekanslarında çalışacak güç elektroniği devre teknolojileri gerektirdiğinden pahalı ve verimi düşük olarak nitelendirilmektedir. Buna karşın yakın alan güç transferi, çok kısa mesafelerde ve düşük frekanslarda endüktif kuplaj yoluyla gerçekleşmektedir. Bu teknoloji nispeten daha verimli ve düşük maliyetli olduğundan kablosuz şarj uygulamalarında özellikle tercih edilmektedir. Kablosuz şarj uygulamalarında tercih edilen bu teknolojide düzlemsel bobinler kullanılmaktadır. Özellikle güç elektroniği devresi ve kuplajlı sargıların optimum tasarımı oldukça önemlidir. Düzlemsel bobinlerin tasarımında temelde maksimum olması beklenen kalite faktörü parametresi bobinde biriken enerji ile bobin tarafından kaybedilen enerjinin oranı olarak ifade edilmektedir. Kalite faktörünün maksimum olması güç aktarım verimliliğini doğrudan etkilediğinden tasarım noktasında dikkate alınması gereken temel parametrelerden biri olarak kabul edilmektedir. Bu çalışmada farklı geometrik tasarımlara sahip düzlemsel bobinlerin maksimum kalite faktörüne sahip olması için bobinlerin tasarım geometrisini etkileyen anahtar parametrelerin optimum değerlerini hesaplayan optimizasyon algoritmalarının başarı oranları incelenmiştir. Önerilen optimizasyon algoritmaları için çeşitli geometrideki düzlemsel bobinler üzerinden bir amaç fonksiyonu oluşturulmuştur. Amaç fonksiyonu ile, anahtar tasarım parametrelerinin sınırlarına ve bağımlı-bağımsız parametrelerine karar verilmiştir. Kare, dairesel ve çokgen şekillerdeki bobinler için kalite faktörleri parçacık sürü optimizasyon algoritması, genetik algoritma ve gri kurt optimizasyon algoritması kullanılarak ayrı ayrı hesaplanmış ve elde edilen sonuçlar açık kaynak olarak sunulan hesaplama araçları üzerinden doğrulanmıştır.

Abstract:
Research on wireless power transfer, initiated by Nikola Tesla, is fundamentally divided into two main categories: near-field and far-field power transfer technologies. Far-field energy transfer occurs through the propagation of electromagnetic waves at high frequencies and is deemed suitable for long-distance energy transfer. However, far-field technology, which operates at frequencies of 10 MHz and above, requires power electronics circuitry that is expensive and considered to have low efficiency. In contrast, near-field power transfer occurs through inductive coupling at very short distances and low frequencies. This technology is relatively more efficient and cost-effective, making it especially preferred in wireless charging applications. Planar coils are used in this technology, which is favored in wireless charging applications. The optimal design of the power electronics circuitry and coupled coils is particularly important. In the design of planar coils, the quality factor parameter, which is expected to be maximized, is expressed as the ratio of the energy stored in the coil to the energy lost by the coil. Since maximizing the quality factor directly impacts power transfer efficiency, it is considered one of the key parameters to be taken into account during the design process. In this study, the success rates of optimization algorithms that calculate the optimum values of key parameters affecting the design geometry of coils for planar coils with different geometric designs to have maximum quality factors were investigated. An objective function was created for the proposed optimization algorithms over planar coils with various geometries. With the objective function, the limits of key design parameters and their dependent-independent parameters were determined. Quality factors for coils with square, circular and polygonal shapes were calculated separately using particle swarm optimization algorithm, genetic algorithm and gray wolf optimization algorithm and the obtained results were verified through open-source computational tools.