Manyetik rezonans kuplaj yöntemiyle kablosuz güç aktarım sistemi tasarımı
Wireless power transmission system design via magnetic resonance coupling
Yazar: MUHAMMED TURAN ARSLAN
Danışman: DOÇ. DR. KADİR ERKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Son yıllarda mobil elektronik cihazların kullanımının yaygınlaşmasıyla, kablosuz şarj teknolojisinde de ilerlemeler kaydedilmiştir. Kablodan kaynaklanan sorunların ortadan kalkmasıyla, hareket özgürlüğü ve kullanım kolaylığı gibi avantajları beraberinde getiren bu konu üzerine farklı tekniklerle birçok çalışma yapılmıştır. Ancak, kablosuz şarj teknolojisinin günlük hayatta yaygın şekilde kullanılmasını sağlayacak yeni çalışmalara ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, orta mesafede yüksek verimle kablosuz güç aktarımına olanak sağlaması nedeniyle manyetik rezonans kuplaj yöntemi ile bir sistemin tasarlanması ve prototip gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Bu sayede elektrikli araçların ve mobil elektronik cihazların kolay bir şekilde ve yüksek verimlilikte şarj edilmesi mümkün olacaktır. Bu tezin, kablosuz güç aktarımı konusu üzerine ilgi duyan ve bu konuda çalışma yapacak olan araştırmacılara, rehber niteliğinde olması hedeflenmektedir. Çalışmamızda öncelikle kablosuz güç aktarımının tarihçesi verilip, ardından farklı kablosuz güç aktarımı tekniklerine yer verilmiştir. Daha sonra manyetik rezonans kuplaj yönteminin temel prensibi açıklanmıştır. Manyetik rezonans kuplaj yöntemindeki temel kompanzasyon topolojileri verilip, ardından çalışmamızda kullanılan seri-seri rezonans devre topolojisinin detayları ortaya koyulmuştur. Son olarak kablosuz güç aktarımı sisteminin devre tasarımı ve bobin tasarımı aşamalarına değinilmiştir. Sistemin invertör devresi Altium Designer programı kullanılarak çizilmiştir. Sistemde kullanılan bobinler analitik yöntemler kullanılıp tasarlanmış, ANSYS EM programında doğrulanmıştır. Deri ve yakınsaklık etkisinden kaynaklı kayıpları azaltmak için bobinde litz kablo teli kullanılmıştır. Tasarlanan sistemde, 7 cm hava aralığında maksimum enerji verimliliğiyle kablosuz güç aktarımı hedeflenmiştir. Sistem verimliliği MATLAB Simulink ortamında test edilmiştir. Tasarlanan sistem deneysel olarak üretilmiş ve 26,8 W gücün %91,42 verimle; 44,3 W gücün ise %88,49 verimle 7 cm hava aralığında kablosuz olarak başarılı bir şekilde aktarımı gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
With the widespread use of mobile electronic devices in recent years, advances have been made in wireless charging technology. Many studies have been conducted with different techniques on this subject, which brings advantages such as freedom of movement and ease of use by eliminating the problems caused by the cable. However, there is a need for new studies that will enable the widespread use of wireless charging technology in daily life. In this study, it is aimed to design and prototype a system with the magnetic resonance coupling method as it enables wireless power transfer with high efficiency at medium distances. In this way, it will be possible to charge electric vehicles and mobile electronic devices easily and with high efficiency. This thesis is intended to serve as a guide for researchers who are interested in wireless power transfer and who will work on this subject. In our study, first, the history of wireless power transfer is given and then different wireless power transfer techniques are given. Then the basic principle of the magnetic resonance coupling method is explained. Finally, the circuit design and coil design stages of the wireless power transfer system are discussed. The inverter circuit of the system is drawn using Altium Designer program. The coils used in the system were designed using analytical methods and verified in the ANSYS EM program. Litz cable wire is used in the coil to reduce losses due to skin and proximity effects. In the system which is designed, wireless power transmission is aimed at the maximum energy efficiency in the 7 cm air gap. The efficiency of the system was tested in the MATLAB Simulink environment. The system that is designed has been produced experimentally and wireless power transmission has been observed successfully in the 7 cm air gap 26,8 W with 91,42% efficiency and 44,3 W power with 88,49% efficiency.