Kablosuz güç transfer sistemleri için ortak endüktans hesabı üzerine yeni bir analitik yöntem
A new analytical method on mutual inductance calculation for wireless power transfer system
Yazar: NESLİHAN PİRİNÇÇİ
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ALTUN
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Teknolojileri Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Helezonik bobinler = Spiral coils

Özet:
Maxwell'in elektromanyetik alan denklemlerinin bir parçası olan Ampere ve Faraday yasalarını temel alan Kablosuz Güç Transferi (KGT) üzerine yapılan araştırmalar yarı iletken, kontrol ve malzeme teknolojilerindeki gelişmelere bağlı olarak giderek artmaktadır. KGT sistemleri, elektrikli araçların kablosuz şarjı, tüketici elektroniği, biyomedikal implantlar, kablosuz sensörler ve veri iletimi gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Endüktif kuplaj prensibiyle çalışan KGT sistemlerinde ortak endüktans hesabı büyük önem taşımaktadır. Bu tez çalışmasında, 3D uzayında keyfi olarak konumlandırılmış özdeş olmayan n-kenarlı düzlemsel düzgün çokgen bobinler arasındaki ortak endüktans hesabı üzerine yeni bir analitik yöntem sunulmuştur. Bu yöntemde birbirlerinden boyut, geometrik şekil ve sarım sayısı olarak aynı veya farklı bobinler kullanılmıştır. Ayrıca, ortak endüktans hesabı yapılırken, bobinler arasında oluşabilecek tüm yanal ve açısal yanlış hizalama durumları da dikkate alınmıştır. Stokes Teoremi'ne dayanan ortak endüktans hesabında manyetik akıya ulaşmak için manyetik akı yoğunluğu vektörü yerine manyetik vektör potansiyel (MVP) kullanılmıştır. MVP aracılığıyla zorlu matematiksel işlemler gerçekleştirilerek, herhangi bir düzgün çokgen şekle ve 3D uzayında herhangi bir konuma sahip iki bobin arasındaki ortak endüktansı basit bir şekilde ve çok kısa zamanda hesaplayan tek bir analitik çözüm fonksiyonu elde edilmiştir.
Bu tez çalışması kapsamında kullanılan yeni analitik yöntem on farklı bobin sistemi üzerinde uygulanmıştır. Bu yöntemden elde edilen sonuçlar; literatürdeki diğer çalışmaların sonuçlarıyla, Ansys Maxwell programından elde edilen analiz sonuçlarıyla ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Yapılan bu karşılaştırmalar, yeni analitik yöntemin çok yüksek oranda bir doğruluk ile çalıştığını ve yöntemin geçerliliğini kanıtlamıştır. Ortak endüktans hesabı üzerine gerçekleştirilen bu yeni çalışma, sarım sayısı, şekil ve boyut bakımından farklı bobinler arası 3D uzayında yanal ve açısal yanlış hizalamalara rağmen doğru sonuç vermesinden dolayı, bu alanda yapılmış çok kapsamlı bir çalışmadır.

Abstract:
Researches on wireless power transfer (WPT) based on Ampere and Faraday's laws which are parts of Maxwell's equations for electromagnetic fields, have been increasingly intensifying due to advances in semiconductor, control and material technologies. WPT systems have started to be used in many areas such as non-contact charging electrical vehicles, consumer electronics, biomedical implants, wireless sensors and data transmission. Mutual inductance calculation is of great importance for WPT systems operating on the principle of inductive coupling. This thesis presents a new analytical method that calculates the mutual inductance between two non-identical n-sided planar polygonal coils located in arbitrary position in 3D space. Coils used in this method may be the same or differ from each other in terms of size, geometric shape and turns number. In addition, all lateral and angular misalignment cases that may occur when calculating the mutual inductance between these coils are also considered. Based on Stokes Theorem, instead of using the magnetic flux density vector, the magnetic vector potential (MVP) is used to reach the required magnetic flux in the calculation of the mutual inductance. A single analytical solution function that can calculate the mutual inductance between two coils of any polygonal shape and position in 3D space a simple manner and very short time duration is obtained by performing difficult mathematical operations through MVP. 
The novel analytical method used within the scope of this thesis was implemented on ten different coil systems. The results obtained from this method were compared with the results of other studies in the literature, analysis results obtained from Ansys Maxwell program and experimental results. These comparisons have proven validity of the new analytical method and shows that this method works with a very high degree of accuracy. This thesis on mutual inductance calculations is a very comprehensive study in this field, as it gives accurate results despite lateral and angular misalignments in the 3D space between coils that differ in terms of number of turns, shape and size.