Bobinas
un diseño adecuado puede optimizar el producto kQ del sistema y aumentar la eficiencia del enlace.
El producto kQ se puede mejorar aumentando el acoplamiento entre las bobinas transmisora y receptora y mejorando el factor de calidad de las bobinas [8]
Las bobinas de TIP son fuentes intencionales de intervancion electromagnetica EMI, Los límites de seguridad de los CEM no se han estandarizado completamente y sólo se han examinado los efectos agudos (a corto plazo) [8]
se puede utilizar un transpondedor de bobina de fuente grande para cargar muchos receptores de bobina de carga pequeña. [13]
La agrupación en clústeres, como se explica en la introducción de [14], para reducir el consumo de energía a costa de los datos en tiempo real y podría conducir a entornos potencialmente desconectado
En [32] Para MCRWPT, al consultar investigaciones para bobinas con una sección transversal rectangular. La ventana interior de las bobinas consideradas tiene una longitud de 498 mm, una anchura de 10,4 mm y un espesor de 20,2 mm. Cada bobina contiene 12 espiras y la autoinducción de una sola bobina es de 212 µH.
Formas de las bobinas
Las estructuras más simples son las circulares y las rectangulares /cuadradas. [2]
Visto en [37] Se consideraron las formas ovalada, cuadrada y pentagonal de la bobina receptora. sus áreas de superficie son de aproximadamente 110–120 mm2
el valor más bajo de eficiencia de transmisión de energía eléctrica se obtuvo para bobinas ovaladas cuando la distancia entre ellas no excedió los 30 mm, mientras que el valor más alto para este parámetro se obtuvo para bobinas de forma pentagonal, de 10 mm a 20 mm, este valor fue incluso un 30% más alto que la eficiencia de transmisión de energía
obtenida para las otras bobinas consideradas [32]
la bondad Q de las bobinas tanto del transmisor como del receptor es un parámetro muy importante en la transferencia de energía inalámbrica utilizando el fenómeno de inducción magnética. caracteriza las pérdidas de la bobina y depende principalmente del tamaño de la bobina, el grosor del cable y el material del que está hecha: un cable de cobre, aluminio, etc. El valor predeterminado para este parámetro oscila alrededor de Q = 100. [32]
DD
Las bobinas Doble-D
o DD se componen de dos subbobinas iguales en forma de D (rectangulares) con un lado compartido.
Están conectados eléctricamente en paralelo pero enrollados de tal manera que concatenan el campo
magnético como si estuvieran en serie. A partir de las bobinas DD se implementa la cuadratura DD o DDQ. [2]
Tiene dos devanados independientes: uno es un par de bobinas DD y otro es la bobina de cuadratura o
cuádruple (Q). La bobina Q se coloca sobre la mitad del área de cada bobina D. Se incluyen materiales
ferromagnéticos y conductores para evitar el acoplamiento entre las bobinas DD y Q. Las bobinas
bipolares son similares a las bobinas DD, pero una de las bobinas se superpone a la mitad del área de
la bobina en forma de D [2]
se dice que las bobinas DDQ son las que pueden
concatenar más flujo magnético. [2]
Las bobinas bipolares representan una solución intermedia y las bobinas
DD pueden concatenar menos campo magnético que las otras dos [2]
El factor Q
investigó la influencia del factor Q en la potencia transmitida entre las bobinas transmisoras y receptoras y en la eficiencia de la transmisión de energía. [38] logro una eficiencia muy alta de transmisión de electricidad, casi el 90%.
El material ferromagnético y la frecuencia del voltaje transmitido influyen en la eficiencia de la transferencia de energía inalámbrica. Se probo cuatro núcleos ferromagnéticos, hechos de materiales como ferrita, sendust, polvo de hierro y aleación de NiZn. Estos tenían diámetros externos de 36, 27, 27 y 31 mm, diámetros internos de 23, 14,35, 14,5 y 19, y espesores de 10, 12, 14,6 y 13 mm, respectivamente. Las investigaciones se llevaron a cabo en el rango de frecuencia de 10 a 140 kHz.[39]
Dependencia de la eficiencia de la transmisión de energía de las frecuencias de varios ferro- 0 Materiales magnéticos.La mayor frecuencia se logra con nucleo de ferrita 130 MHz [32]
Estructura agrupada o segmentada
El método
de carga dinámica modifica la estructura de las bobinas transmisoras. En concreto, podemos encontrar
una serie de bobinas con una dimensión similar a la bobina captadora [2]
una solución basada en carriles con bobinas transmisoras
estiradas, en las que la dimensión longitudinal sea mucho mayor que la de la bobina receptora. En esta categoría podemos encontrar las bobinas tipo E, tipo U, tipo W, tipo I o
tipo S. La primera letra de este término se refiere a la geometría resultante una vez que el material
ferromagnético se incluye en la bobina estirada. En comparación con la estructura agrupada, la
solución basada en rieles presenta algunas ventajas, como mayores pérdidas, menor eficiencia y
mayores costos de instalación y mantenimiento [2]
La eficiencia máxima del enlace WPT aumenta con un
aumento de
k12—coeficiente de acoplamiento entre las bobinas del transmisor y del receptor.Qp—factor de calidad descargado del transmisor.
Qs—factor de calidad descargado del receptor
Mejora del coeficiente de acoplamiento entre
bobinas
El coeficiente de acoplamiento
entre bobinas se puede medir utilizando un analizador de redes de dos puertos, esto se afecta por la desalineación laterales (u
horizontales), angulares y verticales entre ellas [1]
Para reducir el acoplamiento entre las bobinas y reducir la eficiencia y la capacidad de transferencia de potencia del sistema [88]
La autoinductancia de bobinas espirales circulares se puede calcular utilizando la aproximación
del bucle circula [119] La autoinductancia de la bobina requerida para una
aplicación particular también determina su tamaño [1]
La inductancia mutua entre las bobinas se puede calcular modelando las espirales
circulares como un conjunto de bucles circulares filamentosos [120]
PAra inductancias
espirales planas (cuadradas, hexagonales, octogonales y circulares) utilizando una fórmula de Wheeler
modificada, la aproximación de la hoja actual y el ajuste de datos, con lo cual salen expresiones. margen de error del 5% [121]
Múltiples bobinas transmisoras pueden dar forma
al campo magnético general para que sea más uniforme en toda la superficie del transmisor formando tres
componentes ortogonales del campo H [124] seis bobinas transmisoras separadas para generar dos componentes de campo H
laterales (Hx y Hy) y uno axial (Hz)
el radio de cada una de las vueltas de la bobina se optimizó para crear
un campo magnético casi uniforme sobre la bobina transmisora. muchas vueltas [122]
ejemplo
utilizaron devanados paralelos para mejorar
la uniformidad del campo magnético a través de la superficie del transmisor sin necesidad de un gran número de vueltas, e intercambiaron en el punto medio para que tuvieran
la misma longitud e impedancia, Los condensadores compensadores en seri [123]
Estructura de bobina entrelazada. a una altura de 1,8 cm desde una bobina transmisora de 50 cm de diámetroMetodos para lograr una mayor tolerancia a
la desalineación
1. Aumentar el
tamaño del transmisor convencional
2. Usar múltiples bobinas transmisoras [85]
3. Optimización geométrica de la posición de cada vuelta de la bobina [122]
4. Diseño especializado de bobinas transmisoras con estructura entrelazada [123]
Limitaciones
depende del espacio disponible dentro de la carcasa.
a bobina transmisora grande produce un campo magnetico no uniforme, con flujo magnetico desacoplado de las bobinas receptoras
.el control de corriente de bobina individual complica el diseño del sistema debido a los circuitos
de detección y seguimiento.
En una gran área de carga, una gran cantidad de vueltas genera una gran inductancia, para banda ISM (6,78 MHz o 13,56 MHz), grandes inductancias, hacen sensibles a parasitas e la longitud de la bobina puede acercarse al cuarto de longitud de onda a 6,78 MHz, lo que provoca una pérdida de radiación significativa [1]
Este campo eléctrico
puede causar pérdidas dieléctricas en el material en el que está montada la bobina del transmiso
Las
corrientes parásitas de alta frecuencia inducidas en un conductor portador de corriente a altas frecuencias
pueden causar pérdidas de conducción, pueden ser inducidas por campos magnéticos
que varían en el tiempo
Mejora del factor de calidad de las bobinas
El factor de calidad de la bobina se puede mejorar reduciendo la resistencia CA de los devanados
el conductor del devanado puede ser macizo, laminado, tubular o Litz. [1]
A altas frecuencias, las corrientes fluyen principalmente cerca de la superficie de los
conductores
También se pueden fabricar en placas de circuito impreso (PCB).[1]
Las bobinas tubulares con múltiples conductores tubulares concéntricos aislados se utilizan a menudo para
lograr un flujo de corriente óptimo y reducir la resistencia de CA [1]
Cuando el objetivo es la eficiencia . Si el costo es factible, se puede utilizar alambre Litz, ya que minimiza las pérdidas
debidas a corrientes parásitas [4]
Utilizar cables Litz . Para minimizar las pérdidas debidas al efecto piel, el ancho de cada hebra es menor que la profundidad de la piel del cobre a esa frecuencia. La torsión
de los haces de cables en forma helicoidal evita las pérdidas por efecto de proximidad y garantiza que cada hilo
transporte la misma corriente[1]
A bajas frecuencias, cuando el diámetro del alambre es menor que la profundidad de la piel, el
alambre de cobre tiene una resistencia CC constante[1]
A frecuencias más altas, cuando el diámetro del
cable es mucho mayor que la profundidad de la piel, la resistencia CA del cable aumenta aproximadamente
como la raíz cuadrada de la frecuencia hasta que los efectos de la radiación comienzan a ser dominantes. [1]
la resistencia de CA aumenta aproximadamente como la cuarta potencia de frecuencia. el factor de calidad de las bobinas comienza a disminuir con un aumento en la frecuencia una vez que comienzan a irradiar energía.[1]
efecto de proximidad
El flujo de corriente en conductores cercanos a menudo restringe la distribución
de corriente en los cables de las bobinas a regiones más pequeñas, aumenta la resistencia efectiva de las bobinas, s, que aumenta con la frecuencia[1]
ejemplo
láminas de cobre con un espesor cercano a la profundidad
de la piel en el rango de frecuencia de MHz (la profundidad de la piel de cobre está entre 65 y 15 µm en el rango
de 1 a 20 MHz, de ventaja alta capacidad de carga de corriente debido a la gran superficie y al mejor rendimiento térmico.[1]
En [125], se utilizaron alambres
magnetochapados para reducir la resistencia de CA de las bobinas mediante el uso de una película delgada
magnética para recubrir la circunferencia del alambre de cobre
Compensación de la bobina
Para bobinas de alta Q cuando la capacitancia requerida está en el rango de pF
bajo.[1]
Utilizar la autorresonancia de la bobina, donde el campo eléctrico intrínseco
de la bobina resuena con el campo magnético.[1]
La compensación en serie de bobinas es la más utilizada para WPT.[1]
En sistemas de Q alto, el voltaje resonante puede ser muy alto a través de los capacitores, lo que puede
provocar una avería de los capacitores discretos disponibles comercialmente.[1]
utilizar grandes conjuntos de condensadores para reducir las
tensiones de voltaje, esto puede ser costoso y reducir la densidad de potencia del sistema e introduce impedancias parásitas,[1]
Las bobinas transmisoras planas producen campos magnéticos en una dirección fija. El movimiento de la bobina receptora desde su ubicación deseada puede reducir el enlace de flujo con la bobina transmisora y disminuir la potencia transferida a la carga.[1]
Para dos bobinas planas idénticas estaban separadas por una
capa de material dieléctrico, . Un terminal de cada bobina se conecta a la fuente de CA mientras
que los otros terminales se dejan abiertos [126],
Para reducir la resistencia del cobre, se puede
aumentar el ancho del cobre[1]
para una bobina de dos capas, el ancho del cobre
también determina la capacitancia resonante entre capas, Las bobinas deben tener un número específico de vueltas que deben ajustarse al diámetro deseado.[1]
e la estructura autor resonante de la bobina de dos capas restringe
inherentemente el factor de calidad alcanzable, para ello una bobina
multicapa en la que se pueda compartir la corriente entre varias capas [1]
ejemplo
en En [127] bobina multicapa, no uniforme y autorresonante .[1]
Transferencia de energía inalámbrica omnidireccional.
Para ampliar la libertad posicional de la transferencia de energía inalámbrica [128], [129], [130], [131], [132], [133], [134], [135], [136]
1. Varias fuentes de alimentación para varias bobinas de transmisión. Las bobinas se controlan de forma dinámica. [1]
2.Una única fuente de alimentación al transmisor. Esta técnica es más sencilla
de implementar. Sin embargo, el sistema puede tener puntos ciegos donde el acoplamiento es
mucho menor.[1]
Transferencia de energía inalámbrica omnidireccional bidimensional
En [128] dos bobinas ortogonales
que producen un campo magnético omnidireccional que puede cargar una carga giratoria. técnica de control de búsqueda de extremos para maximizar la WPT, El sistema de control utiliza la potencia de entrada como función objetivo analizando su respuesta a la movilidad de la carga. No requiere ninguna retroalimentación por parte del receptor
[129]. Las bobinas receptoras
tenían libertad de tener cualquier posición angular; sin embargo, su movimiento lineal estaba restringido sólo en dirección vertical.
. [130] propuso una bobina transmisora cilíndrica que es capaz de transmitir energía en dos dimensiones creando un campo
magnético plano homogéneo. Se utilizó una estructura de bobinado helicoidal con dos bobinas para el transmisor y la configuración
podía producir WPT 2D real sin puntos ciegos. Una característica prometedora de este sistema es el uso de una única fuente de
energía que alimenta la bobina transmisora. No requiere ningún control activo de la amplitud o fase de la fuente de
energía.
En [131] la potencia neta de entrada y la eficiencia del sistema son funciones sinusoidales del ángulo del vector del campo magnético de entrada y sus valores máximos son independientes de la carga y las frecuencias de funcionamiento
Transferencia de energía inalámbrica omnidireccional tridimensional
Disposición de bobina transmisora ortogonal tridimensional.
[1] pueden producir
corrientes ortogonales, cuya suma vectorial puede producir un campo magnético neto en cualquier dirección
[132]La trayectoria del campo magnético producida por estas corrientes
gira periódicamente en todas direcciones,
generando un campo omnidireccional
La magnitud de este campo magnético se puede controlar mediante modulación de amplitud de la corriente, control
del ángulo de fase o modulación de frecuencia [1]
La modulación de amplitud se puede implementar
manteniendo constante la magnitud de corriente de una de las bobinas del transmisor mientras se modula la
amplitud de las otras dos bobinas con dos envolventes sinusoidales [133] dezplazadas en fase 90 grados [1]
El control del ángulo de fase se puede implementar utilizando
la misma amplitud de corriente para cada una de las tres bobinas pero controlando el cambio de fase entre cada
una de ellas
Ejemplo
[134] al usar tres bobinas ortogonales, se produce una distribución de campo magnético omnidireccional solo cerca del centro de la estructura. Cerca de la superficie de la esfera, el campo magnético no es omnidireccional
Su Estructura de cuenco para el transmisor[1]
cerca de la cara lateral del recipiente, es preferible tener un campo magnético perpendicular a la superficie, y cerca del fondo, es preferible una distribución de campo omnidireccional[1]
utilizaron una estructura de cinco bobinas, con cuatro bobinas enrolladas desde el fondo hasta la cara lateral del recipiente y una bobina colocada alrededor de la cara inferior. Se utilizó una técnica de optimización de Pareto para lograr una distribución uniforme del campo. [1]
cuando se utiliza una bobina receptora circular con una estructura de transmisor tridimensional,
el rendimiento del sistema puede deteriorarse con la autorrotación de la bobina receptora [136]
Una bobina receptora en forma de cuadratura para
mejorar la potencia transmitida incluso cuando hay desalineación angular. [136]
Disposición de bobina receptora
en forma de cuadratura para energía inalámbrica omnidireccional.[1]Nucleos de ferrita
Los materiales de ferrita, que tienen una alta
densidad de flujo de saturación, una alta resistividad aparente, una alta permeabilidad y bajas pérdidas de energía
de CA, son beneficiosos para los sistemas WPT. Las ferritas también ayudan a proteger el campo magnético producido por las bobinas y reducen la EMI.[1]
NiZn y MnZn son las ferritas más utilizadas en WPT.[1]
El MnZn tiene
una alta densidad de flujo de saturación y una alta permeabilidad, Una ferrita con alta permeabilidad aumenta el almacenamiento de
energía magnética por unidad de autoinductancia de la bobina[1]
la ferrita de NiZn tiene una menor
permeabilidad y una alta resistividad aparente, Una ferrita con alta resistividad aparente reduce
las corrientes parásitas y de desplazamiento inducidas por alta frecuencia.[1]
La pérdida del núcleo en ferritas para excitación sinusoidal depende de la frecuencia y la densidad del flujo
magnético en el núcleo, Por ello se usan en rangos de frecuencia por debajo del rango de
MHz. [1]
El nucleo de ferrita aumenta el
coeficiente de acoplamiento entre las bobinas, por ello a da forma al campo producido entre las bobinas y aumentar el acoplamiento entre ellas.[1]
n aumentan la autoinductancia de las bobinas[1]
Usar láminas de ferrita en el interior de las bobinas
receptoras, lo que provoca una mayor ganancia en el campo magnético paralelo a ésta y por tanto se incrementa
el acoplamiento entre las bobinas transmisora y receptora.[1]
Bobinas receptoras solenoides para sistemas receptores múltiples
Las bobinas receptoras en espiral colocadas boca abajo sobre la plataforma del transmisor conducen a
una mala utilización del área del transmisor debido al aumento de la superficie requerida para los receptores[1]
utilizar una bobina transmisora en espiral o doble D con bobinas receptoras solenoides para aumentar la
densidad de disposición de los receptores [138].
Sistema WPT con un transmisor en espiral y una bobina receptora solenoide[1]Las bobinas receptoras solenoides utilizan el componente radial del campo
magnético generado por la bobina transmisora y las bobinas receptoras en espiral utilizan el componente axial.[1]
el acoplamiento entre las
bobinas del transmisor y del receptor es menos sensible a la desalineación con las bobinas del receptor solenoidal.[1]
si la separación entre las pistas de la bobina transmisora es alta, la densidad de flujo magnético de la
componente radial es mayor que la axial.[1]
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