Kablosuz enerji transferinde farklı hava aralıkları ve karakteristik empedanslara göre verim analizi
Examination and analysis of efficiency for air gap and characteristic impedance in wireless energy transfer
Yazar: ALİ AĞÇAL
Danışman: DOÇ. DR. NUR BEKİROĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kablosuz enerji transferi son yıllarda ilgi çekici bir araştırma konusu haline gelmiş ve birçok araştırmacının farklı yaklaşımlarını ortaya koyduğu bir alan olmuştur. İlk kablosuz enerji transferi çalışmaları Nicola Tesla ile başlamış ve günümüzde yapılan çalışmalarla, kablo ile beslenmesi zahmetli olan uygulamalarda tercih edilebilir hale gelmiştir. 
Kablosuz enerji transferinde (KET) ana hedef, magnetik rezonans devresinde kullanılan bobinde enerji depolamak ve bu depolanan enerjiyi devredeki diğer bobine aktarmaktır. Birincil bobinden ikincil bobine etkin bir şekilde enerji iletimi sağlayabilmek için iki önemli koşul sağlanmalıdır. Bunlardan birincisi bobin boyutlarının küçük olması ve enerjinin daha iyi iletilmesini sağlayacak olan yüksek frekans kullanılmasıdır. Diğeri ise bobinlerin birbirleriyle uygun bir manyetik bağlantıda olmalarıdır. Magnetik rezonans devresinin, kablosuz enerji transfer sisteminin çalışmasına etkisi devre parametrelerinin yanı sıra iki bobin arası uzaklığa da bağlıdır. 
Bu nedenle, bu çalışmada hava aralığı değerlerine ve frekansa bağlı olarak, farklı yük durumlarında sistem davranışları analiz edilmiş, her iki parametre için gerilim ve güç değişimlerine dayanarak sistem verimi incelenmiştir. Farklı hava aralığı ve yük değerlerinde frekansa bağlı olarak akım, gerilim gibi parametrelerin hesabı için; üç farklı simülasyon platformunda sistem benzetim çalışmaları yapılarak gerçekleştirilen analizler, değişik parametreler için denenmiş ve sistem verimleri karşılaştırılmıştır. Enerji transferi yapan bobinler arası uzaklığın optimum büyüklükte tutulması gerektiği ve hava aralığı arttırıldığı sürece enerji aktarım oranı düşeceğinden bu sorunun frekans ve kalite faktörü arasında optimizasyon yapılarak çözülebileceği görülmüştür.


Anahtar Kelimeler: Kablosuz enerji transferi, magnetik kuplaj, magnetik rezonans devresi, karakteristik empedans

Abstract:
Wireless energy transfer has become one of the attractive research topics in recent years and is now one of the fields in which many researchers state their different approaches. The very first energy transfer studies was started by Nicola Tesla and the present day studies make it possible to have applications which are hard to be supplied by cables but by wireless energy as the preferred method.
The main target for wireless energy transfer is to store the energy within a coil in the magnetic resonance circuit and then to transfer this stored energy to another coil in the very same circuit. In order to have the energy transferred from the primary coil to the secondary coil effectively, two conditions have to be fulfilled. The first condition is to have a very compact coil size and utilize high frequency for better energy transmission. The second condition on the other hand is to have good magnetic coupling between the two coils.  The effect of magnetic resonance circuit on the wireless energy transfer system is not only affected by the parameters of the system itself but by the distance between the two coils. Therefore in this study, depending on the air gap values as well as the applied frequency, the behavior of the system under various load conditions has been analyzed such that depending on the change of voltage and power for these two parameters and the system efficiency is observed. In order to calculate parameters like current and voltage as a function of frequency at various air gap values and load conditions, analysis depending on different parameters were made by running system simulations on three different simulation platforms and the efficiency values of each system gathered from these simulations have been compared. It was observed that the distance between the coils responsible for energy transfer should be kept at an optimum value since any increase of the air gap value will degrade the energy transfer ratio. This problem could be solved by optimizing the relation between frequency and quality factor.  


Keywords: Wireless energy transfer, magnetic coupling, magnetic resonance circuit, characterictic impedance