Comparison of the efficiency of the WPT system using circular or square planar coils

• Autorzy: Stankiewicz Jacek Maciej

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2021.10.08

Warianty tytułu

PL

Porównanie sprawności układu WPT z wykorzystaniem okrągłych lub kwadratowych cewek płaskich

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents results for numerical analysis of Wireless Power Transfer (WPT) system consisting of transmitting and receiving plane coils. Two types of coils (circular and square) were included in the analysis. The influence of the type of coils, the number of turns and the distance between the coils on the efficiency of the WPT system was compared. The analysis covered a wide range of frequencies from 100 kHz to 1000 kHz. The Finite Element Method (FEM) with the using antiperiodic boundary conditions for the analysis was used. In the low frequency range (within the analysed range) the higher efficiency is for the WPT system composed of square coils. On the other hand, at higher frequency values, higher efficiency values were obtained for the WPT model containing circular coils. Proposed WPT system could be used to charge electric devices as the wireless power transfer system. The results indicate at which system parameters wireless energy transfer is possible.

PL

W artykule przedstawiono wyniki analizy numerycznej systemu Wireless Power Transfer (WPT) składającego się z cewek płaskich nadawczo-odbiorczych. W analizie uwzględniono dwa rodzaje cewek (okrągła i kwadratowa). Porównano wpływ rodzaju cewek, liczby zwojów oraz odległości między cewkami na sprawność układu WPT. Analiza obejmowała szeroki zakres częstotliwości od 100 kHz do 1000 kHz. Do analizy wykorzystano Metodę Elementów Skończonych (MES) z wykorzystaniem antyperiodycznych warunków brzegowych. W zakresie niskich częstotliwości (w analizowanym zakresie) wyższa sprawność występuje dla układu WPT złożonego z cewek kwadratowych. Natomiast przy wyższych wartościach częstotliwości wyższe wartości sprawności uzyskano dla modelu WPT zawierającego cewki okrągłe. Proponowany system WPT mógłby służyć do ładowania urządzeń elektrycznych jako bezprzewodowy system przesyłania energii. Wyniki wskazują, przy jakich parametrach układu możliwy jest bezprzewodowy transfer energii.

Słowa kluczowe

EN

wireless power transfer; WPT; magnetic field; numerical analysis; Finite Element Method; FEM

PL

bezprzewodowa transmisja energii; WPT; pole magnetyczne; analiza numeryczna; metoda elementów skończonych

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 97, nr 10
• Strony: 38--43
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Stankiewicz Jacek Maciej

• Białystok University of Technology, Faculty of Electrical Engineering, Wiejska 45D, 15-351 Białystok

Bibliografia

• [1] Barman S.D., Reza A.W., Kumar N., Karim Md. E. , Muni r A.B. , Wireless powering by magnetic resonant coupling: Recent trends in wireless power transfer system and its applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 51 (2015), 1525-1552
• [2] Sun L., Ma D., Tang H., A review of recent trends in wireless power transfer technology and its applications in electric vehicle wireless charging, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 91 (2018), 490-503
• [3] Rim C.T. , Mi C. , Wireless Power Transfer for Electric Vehicles and Mobile Devices; John Wiley & Sons, Ltd.: Hoboken, United States, 2017, 473-490
• [4] Fuj imoto K. , Itoh K. , Antennas for Small Mobile Terminals, 2nd ed., Artech House: Norwood, USA, 2018, 30-70
• [5] Stankiewicz J.M., Choroszucho A., Steckiewicz A. , Estimation of the Maximum Efficiency and the Load Power in the Periodic WPT Systems Using Numerical and Circuit Models, Energies, 14 (2021), no. 4, 1-20
• [6] Zhang Z., Pang H., Georgiadis A. , Cecati C., Wireless Power Transfer – An Overview, IEEE Trans. Ind. Electron., 66 (2019), 1044-1058 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 97 NR 10/2021 43
• [7] Liu X. , Wang G. , A Novel Wireless Power Transfer System With Double Intermediate Resonant Coils, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 63 (2016), 2174-2180
• [8] Wenxing Z, Chi Kwan L , Hui S.Y.R. , General analysis on the use of Tesla's resonators in domino forms for wireless power transfer, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 60 (2013), no. 1, 261-70
• [9] Liu S. , Su J. , Lai J. , Accurate Expressions of Mutual Inductance and Their Calculation of Archimedean Spiral Coils, Energies, 12 (2017), no. 10, 1-14
• [10] Luo Z., Wei X., Analysis of Square and Circular Planar Spiral Coils in Wireless Power Transfer System for Electric Vehicles, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 65 (2018), 331-341
• [11] Bat ra T. , Schal tz E. , Ahn S. , Effect of ferrite addition above the base ferrite on the coupling factor of wireless power transfer for vehicle applications, Journal of Applied Physics, 117 (2015), 17D517
• [12] Li X., Zhang H., Peng F., Li Y. , Yang T., Wang B., Fang D., A wireless magnetic resonance energy transfer system for micro implantable medical sensors, Sensors, 12 (2012), 10292-10308
• [13] Fi tzpat r i ck D. , Implantable Electronic Medical Devices; Academic Press: San Diego, United States, 2014, 7-35
• [14] Martin P., Ho B.J., Grupen N., Muñoz S. , Sr ivas tasa M. , An iBeacon Primer for Indoor Localization, In Proceedings of the 1st ACM Conference on Embedded Systems for Energy-Efficient Buildings (BuildSys’14), Memphis, USA, 3-6 November 2014, 190-191
• [15] Kim D. , Abu-Siada A. , Sut injo A., State-of-the-art literature review of WPT: Current limitations and solutions on IPT, Electr. Pow. Syst. Res., 154 (2018), 493-502
• [16] Kesler M. , Highly Resonant wireless power transfer: safe, efficient and over distance, WiTricity Corporation, 2013
• [17] Choroszucho A. , Butryło B., The numerical analysis of the influence conductivity of clinker bricks and the size of their hollows on the distribution of the electromagnetic field, Przegląd Elektrotechniczny, 88 (11A), (2012), 351-354
• [18] Manivannan P. , Bharathi raja S. , Qi Open Wireless Charging Standard – A Wireless Technology for the Future, International Journal of Engineering and Computer Science, 2 (2013), no. 3, 573-579
• [19] Rozman M., Fernando M., Adebisi B., Rabie K.M., Collins T., Kharel R., Ikpehai A., A New Technique for Reducing Size of a WPT System Using Two- Loop Strongly-Resonant Inductors, Energies, 10 (2017), 1614
• [20] Mohan S., Hershenson M., Boyd S., Lee T., Simple Accurate Expressions for Planar Spiral Inductances, IEEE Journal of solid-state circuits, 34 (1999), no. 10, 1419-1424
• [21] Raju, S., Wu, R., Chan, M., Yue, C.P., Modeling of Mutual Coupling Between Planar Inductors in Wireless Power Applications. IEEE Trans. Power Electron. 29, (2014), 481-490
• [22] Tal N., Morag Y., Levron Y., Magnetic Induction Antenna Arrays for MIMO and Multiple-Frequency Communication Systems, PIER C, 75 (2017), 155-167

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).