INAS Blog

Transferul wireless de energie

Transferul wireless de energie (Wireless Power Transfer-WPT) este intens cercetat și discutat în contextul domeniului IoT, vehiculelor electrice și dispozitivelor electronice mobile.

Metodologia de alimentare cu energie electrică a unui dispozitiv fără conexiune fizică este bine cunoscută. Cu toate acestea, conceperea formelor de bobină și plasarea acestora, maximizarea eficienței și validarea comportamentului la nivel de sistem reprezintă în continuare provocări care nu pot fi realizate fără simulare.

Următoarea frontieră care trebuie explorată constă în extinderea și aplicarea sistemelor wireless de transfer de energie către mai multe aplicații, cum ar fi încărcarea continuă a mai multor dispozitive, creșterea intervalului de transfer de energie eficient și asigurarea faptului că proiectarea sistemului WPT respectă normele de reglementare.

Cele mai comune tipuri de WPT utilizează metode de cuplare inductivă sau metode de rezonanță magnetică. Fiecare are puncte forte și slabe. Tehnologia cea mai familiară - și cea deja utilizată într-un număr de dispozitive de uz casnic, cum ar fi periuțele electrice de dinți și telefoanele fără fir - utilizează metoda de cuplare inductivă.

Cu toate acestea, cuplarea inductivă nu este foarte potrivită pentru aplicații care implică transfer de putere semnificativ pe o anumită distanță. Tehnica de rezonanță magnetică este aplicată în două moduri: transmisia unei puteri mari la distanțe mai mici de un metru (în mod tipic) sau transmiterea puterii la distanțe mult mai mari decât metoda de cuplare inductivă.

Simularea câmpului electromagnetic

Dezvoltarea unui design pentru o WPT fiabilă, indiferent de metodă, depinde de capacitatea de a modela performanța electromagnetică și termică a antenei bobinei, precum și circuitele și logica care conduce și controlează funcționarea sistemului.

ANSYS Maxwell este aplicat pentru a analiza bobinele inductive cu frecvență joasă utilizate în metoda de cuplare inductivă. De asemenea, acest instrument poate extrage caracteristicile R, L și C echivalente în funcție de frecvență ale bobinelor, astfel încât inginerul poate construi un model de circuit echivalent al unei antene cu bobină inductivă.

Simulare de încărcare fără fir realizată în ANSYS HFSS. Simularea arată un câmp magnetic uniform generat de bobine cu două moduri. Aceste bobine sunt utilizate pentru rezonanța magnetică sau încărcarea prin inducție magnetică.

Rezonanța este apoi realizată prin adăugarea unei capacități externe. Pentru WPT de tip rezonanță magnetică pe o distanță mare, frecvențele de operare sunt mai mari, iar ANSYS HFSS permite inginerilor să determine câmpul electromagnetic transmis, reflectat și total al unei antene de bobină de transmisie și recepție. HFSS optimizează, de asemenea, designul bobinei.

 

Analiza și optimizarea parametrică

Inginerii pot folosi funcțiile de analiză parametrică puternică din Maxwell pentru a varia în mod automat dimensiunea bobinei, poziția, materialul și diferența pentru a se converti pe designul optim al bobinei. Analiza parametrică cu ANSYS Maxwell este, de asemenea, ideală pentru evaluarea eficacității ecranării. Materialele și parametrii geometrici cum ar fi grosimea și forma pot fi variabile în cadrul simulării care oferă inginerilor o perspectivă valoroasă asupra designului scutului și a capacității sale de a limita intensitatea câmpului electromagnetic la o anumită distanță.

Multiphysics

Analiza termică este un alt aspect important al sistemelor WPT, în special a sistemelor de mare putere, cum ar fi încărcarea vehiculelor electrice sau dispozitivele electronice închise. Temperatura are un impact puternic asupra eficienței transformatorului wireless, deoarece proprietățile electromagnetice, de exemplu, conductivitatea și permeabilitatea, sunt dependente de temperatură. O creștere a temperaturii poate duce la scăderea conductivității, generând astfel o disipare mai mare a căldurii și scăzând eficiența globală. Materialele de bază utilizate în aceste dispozitive își pot pierde complet caracteristicile magnetice atunci când temperatura este mai mare de 150 ° C.

În plus, temperaturile ridicate reprezintă probleme de siguranță. În cele din urmă, dacă stresul termic este o preocupare, atunci trebuie să cunoaștem mai întâi câmpul de temperatură înainte ca calculele stresului termic să poată fi efectuate. Prin urmare, atunci când faci simulare pentru transferul de energie fără fir, este necesară o analiză electromagnetică și termică cuplată.

ANSYS Maxwell cuplat cu ANSYS Mechanical sau ANSYS Fluent permite inginerilor să evalueze modul în care curentul turbionar și pierderile de miez din transformator generează căldură. Datele de distribuție a pierderilor ale transformatorului din software-ul de simulare electromagnetică (ANSYS Maxwell) sunt transferate ca intrări în ANSYS Mechanical sau ANSYS Fluent pentru a calcula profilul de temperatură. Hărțile de temperatură ale transformatorului obținute ca ieșire sunt apoi alimentate înapoi la ANSYS Maxwell pentru a actualiza proprietățile dependente de temperatură.

 

Capabilități pentru simularea sistemului complet de alimentare fără fir

La proiectarea unui sistem de alimentare fără fir, cum ar fi cele bazate pe cuplarea inductivă sau rezonanța magnetică, ANSYS Twin Builder poate fi folosit atât ca simulator de sistem, cât și ca simulator de circuit. O legătură dinamică bidirecțională poate fi stabilită între Twin Builder și HFSS și / sau Maxwell. Aceasta permite o simulare a sistemului de timp care include invertoarele IGBT / MOSFET, modelele dependente de frecvență ale antenelor de bobină și circuitul redresorului și chiar controlul încorporat.

Folosind această capacitate de cuplare dinamică, un inginer poate calcula hărțile de eficiență prin compararea și măsurarea simultană a caracteristicilor geometrice și electrice. Aceste date pot fi utilizate pentru a simula comportamentul EMI și EMC pentru a determina dacă sistemul respectă limitele reglementate în standarde.

Despre INAS

Prezentă pe piața de profil din România încă din anul 1991, INAS S.A. este astăzi unul dintre principalii furnizori de soluții CAD/CAM/CAE/PLM și servicii conexe, pentru industria românească. Încă de la înființare, INAS s-a remarcat prin orientarea constantă către client și prin preocuparea de a introduce pe piață produse software complete și inovative care să răspundă celor mai exigente cerințe ale utilizatorilor săi.

Având și o bogată experiență practică, acumulată ca urmare a colaborărilor cu parteneri de prestigiu atât din industria românească cât și din străinătate, specialiștii INAS furnizează consultanță tehnică de specialitate în domeniul ingineresc, respectiv servicii de proiectare și analiză, pentru o gamă largă de domenii industriale, de la construcția de autovehicule și mașini grele la industria nucleară și apărare.

Înapoi