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Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz


Kallel, Bilel
Kanoun, Olfa (Univ.-Prof. Dr.-Ing.) ; Ghariani, Hamadi (Univ.-Prof. Dr.-Ing.) ; Gruden, Roman (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)

Design of Inductive Power Transmission System for Low Power Application with Movable Receiver and Large Air Gap


Kurzfassung in deutsch

Die induktive Energieübertragung ist interessant, nicht nur für Systeme, bei denen die Energieübertragung in rauen, feuchten und nassen Bereichen erfolgen soll, sondern auch für mobile und sehr kleine Systeme. Diese Art von Energieübertragung findet heute eine breite Anwendung in verschiedenen Bereichen, wie z.B. Industrie, Automobil, Medizin und intelligente Gebäude. Um
eine gute Effizienz und eine hohe Energieübertragungsleistung zu realisieren, sollten die Sende- und Empfangsspulen perfekt ausgerichtet und nahe beieinander sein. Insbesondere bei Systemen mit beweglichen Teilen ist jedoch eine Fehlausrichtung zwischen Sender und Empfänger unvermeidlich.
Diese Arbeit zielt darauf ab, die übertragene Leistung, die gegenseitige Induktivität, die Leistung an der Last und damit den Wirkungsgrad der Leistungsübertragung im Falle einer seitlichen Fehlausrichtung zwischen Sende- und Empfangsspule und bei großem Abstand von Spule zu Spule zu verbessern. Zu diesem Zweck wird ein Multi-Input Single-Output (MISO)-Spulensystem vorgeschlagen, das in der Lage ist, das ausgegebene Magnetfeld auf die Empfangsspule auszurichten, indem die benachbarten Spulen der aktiven Sendespulen mit einem schwachen Strom in der entgegengesetzten Richtung versorgt wird. Darüber hinaus wurde ein analytisches Modell für die verwendeten Spulen und ein genaues dreidimensionales Modell für das System entwickelt, um die induzierte Spannung, den induzierten Strom und die äquivalente gegenseitige Induktivität zu berechnen. Sowohl die Simulation als auch die experimentellen Ergebnisse belegen, dass das vorgeschlagene induktive Mehrfachspulensystem mit hexagonaler Anordnung und die Sendespulen, die den halben Durchmesser der Empfangsspule haben, in der Lage sind, die Sendeleistung bei lateraler Fehlausrichtung und großem Luftspalt deutlich zu verbessern. Das neuartige MISO-System erreicht einen besseren Wirkungsgrad, beginnend mit einem Luftspalt von 50% des Sendespulendurchmessers und einer Fehlausrichtung von 28% des Sendespulendurchmessers. Sie erreicht bei 50 mm Luftspalt (entspricht 166% des Sendespulendurchmessers) und bei 10 mm seitlichem Versatz (entspricht 33% des Sendespulendurchmessers) das Doppelte der Sendeleistung des herkömmlichen Zwei-Spulen-Induktivsystems.
Um die äquivalente gegenseitige Induktivität zwischen Primär- und Sekundärseite zu verbessern und Energieverluste zu vermeiden, schlagen wir ein Verfahren zur Detektion des Empfängers vor, bei dem die Sendespulen selbst als Detektoren verwendet werden. Dabei werden nur die Sendespulen unter dem Empfänger aktiviert und die anderen bleiben ausgeschaltet. Dazu wird der Scheitelwert des Wechselstroms der Sendespulen gemessen und mit einem vorgegebenem Schwellenwert verglichen. Die Anregungsstrategie der aktiven Spulen wird entsprechend der Position der Empfangsspule optimiert. Die neuartige Anregungsstrategie erhöht die gegenseitige Induktivität um 85% und die induzierte Spannung um 13% bei perfekter Ausrichtung und um 30% bzw. 10% bei 10 mm seitlichem Versatz, im Vergleich zum MISO-System ohne Empfängerdetektor und Spulenanregungsstrategie.
Um die übertragene Leistung durch Resonanz zu erhöhen, wurden verschiedene Systemtopologien untersucht, wie z.B. Serien-SS, Serien-Parallel-SP, Parallel-Series-PS und Parallel-Parallel-PP-Topologien für verschiedene Stufen der Lastimpedanz. Die Ergebnisse zeigen, dass ein MISO System mit parallel-paralleler PP-Topologie eine höhere Sendeleistung realisiert als die anderen Topologien für hohe und niedrige Last-Impedanzen.
Das vorgeschlagene induktive Mehrspulensystem eignet sich für Systeme mit geringer Leistung, wie drahtlose Sensoren und biomedizinische Implantate, kann aber auch flexibler Position des Empfängers in einen höheren Leistungsbereich angewendet werden.

Kurzfassung in englisch

Inductive power transmission is very useful, not only for systems where energy transfer should take place in hazardous, humid and wet areas, but also for mobile and very small systems. It finds today a widespread use in several fields, such as industry, automotive, medicine and smart buildings. For a good efficiency and a high-power transmission, the sending and the receiving coils should be perfectly aligned and close to each other. A misalignment between the sender and the receiver becomes unavoidable especially for systems with movable parts.
This thesis aims to improve the transmitted power, the mutual inductance, the power at the load, and consequently the power transmission efficiency in case of lateral misalignment between the sending and receiving coils and at large coil-to-coil distance. For this purpose, we adopt a multi input single output (MISO) coil system able to orientate the issued magnetic field to the receiving coil by powering the neighbouring sending coils of the active ones with a weak current in the opposite direction. Furthermore, an analytical model of the used coils and an accurate three-dimensional model of the system have been developed to calculate the induced voltage, the induced current, and the equivalent mutual inductance. Both simulation and experimental results prove that the proposed multi-coil inductive system having an hexagonal arrangement and the sending coils, which have the half diameter of the receiving coil, is able to improve significantly the transmitted power in case of lateral misalignment and big air gap. The novel MISO system reaches better efficiency beginning with an air gap of 50% of the sending coil diameter, and a misalignment of 28% of the sending coil diameter. It reaches the double of the transmitted power of the conventional two-coil inductive system at 50 mm air gap (corresponding to 166% of the sending coil diameter) and at 10 mm lateral misalignment (corresponding to 33% of the sending coil diameter).
In order to improve the equivalent mutual inductance between the primary and secondary sides and to avoid energy losses, we propose a receiver detection method using the sending coils themselves as detectors. Thereby, only the sending coils, under the receiver, are activated and the others remain switched off. For that, the peak of the AC current of the sending coils, is measured and then compared to a detection threshold. The excitation strategy of the active sending coils is optimized corresponding to the receiving coil position. The novel excitation strategy increases the mutual inductance by 85% and the induced voltage by 13% at perfect alignment and by 30% and 10% respectively at 10 mm lateral misalignment, in comparison to the MISO system without a receiver detector and coil-excitation strategy.
In order to increase the transmitted power by resonance, different system topologies have been investigated, such as series-series SS, series-parallel SP, parallel-series PS, and parallel-parallel PP topologies for different levels of load impedance. The results show that a multi-coil inductive system with parallel-parallel PP topology realizes a higher transmitted power than the other topologies for both high and low load impedance values.
The proposed multi-coil inductive system is suitable for low-power systems, such as wireless sensors and biomedical implants, but can be also applied to higher range of power at a flexible position of the receiver.

Universität: Technische Universität Chemnitz
Institut: Professur Mess- und Sensortechnik
Fakultät: Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Dokumentart: Dissertation
Betreuer: Kanoun, Olfa (Univ.-Prof. Dr.-Ing.) ; Trabelsi, Hafedh (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
ISBN/ISSN: 978-3-96100-083-8
URL/URN: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-329759
Quelle: Chemnitz : Universitätsverlag Chemnitz, 2019. - xxi, 158 S. - Scientific Reports on Measurement and Sensor Technology ; Volume 12
SWD-Schlagwörter: Energiemanagement , Topologie
Freie Schlagwörter (Deutsch): induktive Kraftübertragung , Mehrspulensysteme , seitlicher Versatz , großer Luftspalt , beweglicher Empfänger , äquivalente Gegeninduktivität , Detektionsschaltung , Erregungsstrategie
Freie Schlagwörter (Englisch): inductive power transmission , multi-coil systems , lateral misalignment , large air gap , movable receiver , equivalent mutual inductance , detection method , excitation strategy , energy management , topologies
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften
Sprache: englisch
Tag der mündlichen Prüfung 18.12.2018

 

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