Коэффициент связи дисковых катушек при бесконтактной передаче электроэнергии

  • Георгий Николаевич Цицикян
  • Михаил Юрьевич Антипов
  • Владислав Викторович Григорьев
Ключевые слова: бесконтактная передача электроэнергии, коэффициент связи, дисковая катушка, катушка квадратного сечения, взаимная индуктивность, прямоугольные витки

Аннотация

Коэффициент связи является ключевой характеристикой бесконтактной передачи электроэнергии, к которой относится индуктивная связь, и служит оценкой степени ее эффективности. Статья посвящена исследованию влияния геометрии катушек на оценку коэффициента связи. Получено выражение для коэффициента связи дисковых катушек, а также катушек квадратной формы сечения, даны соответствующие сопоставления. Рассмотрена геометрия сопрягаемых прямоугольных катушек, по которой определён коэффициент взаимной индукции для средних витков с последующей оценкой взаимной индуктивности катушек в целом. Установлено, что реальная геометрия катушек может оказывать существенное влияние на оценку значения коэффициента связи по сравнению с идеализированными витками.

Биографии авторов

Георгий Николаевич Цицикян

доктор техн. наук, начальник сектора, заместитель начальника отдела электроэнергетических систем, филиал «Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии», ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия; posich@mail.ru

Михаил Юрьевич Антипов

ведущий инженер отдела электроэнергетических систем, филиал «Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии», ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия; M_Antipov@ksrc.ru

Владислав Викторович Григорьев

начальник сектора отдела электроэнергетических систем, филиал «Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии», ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия; grivlad@gmail.com

Литература

1. Hirai J., Kim T.-W., Kawamura A. Study on Intelligent Battery Charging Using Inductive Transmission of Power and Information. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2000, vol. 15(2), pp. 335–345, DOI: 10.1109/63.838106.
2. Boys J.T., Elliott G.A.J., Covic G.A. An Appropriate Magnetic Coupling Co-Efficient for the Design and Comparison of ICPT Pickups. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, vol. 22, No. 1, pp. 333–335, DOI: 10.1109/TPEL.2006.887590.
3. Lee S.-H., Lorenz R.D. Development and Validation of Model for 95 % Efficiency, 220 W Wireless Power Transfer over a 30 cm Air-Gap. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2011, vol. 47 (6), pp. 885–892, DOI: 10.1109/ECCE.2010.5617901.
4. Bosshard R., Kolar J.W. Inductive Power Transfer for Electric Vehicle Charging: Technical Challenges and Tradeoffs. – IEEE Power Electronics Magazine, 2016, vol. 3(3), pp. 22–30, DOI:10.1109/MPEL.2016.2583839.
5. Guidi G. et al. Wireless Charging for Ships: High-Power Inductive Charging for Battery Electric and Plug-In Hybrid Vessels. – IEEE Electrification Magazine, 2017, vol. 5(3), pp. 22–32, DOI: 10.1109/MELE.2017.2718829.
6. Герасимов В.А., Комлев А.В., Филоженко А.Ю. Новая методика расчета силового трансформатора для системы бесконтактного заряда аккумуляторных батарей подводного робота. – Труды Крыловского государственного научного центра, 2022, т. 2, № 400, с. 116–126.
7. Pedder D.A.G., Brown A.D., Skinner J.A. A Contactless Electrical Energy Transmission System. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1999, vol. 46, No. 1, pp. 23–30, DOI: 10.1109/41.744372.
8. Abe H., Sakamoto H., Harada K. A Noncontact Charger Using a Resonant Converter with Parallel Capacitor of the Secondary Coil. – 13th Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1998, vol.1, pp. 136–141, DOI: 10.1109/APEC.1998.647681.
9. Jang Y., Jovanovic M.M. Contactless Electrical Energy Transmission System for Portable-Telephone Battery Chargers. – IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2003, vol. 50, pp. 520–527, DOI: 10.1109/TIE.2003.812472.
10. Joung G.B., Cho B.H. An Energy Transmission System for an Artificial Heart Using Leakage Inductance Compensation of Transcutaneous Transformer. – PESC Record, 27th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, 1996, vol. 1, pp. 898–904, DOI: 10.1109/PESC.1996.548688.
11. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники: т. 1. Л.: Энергоиздат, 1981, 538 с.
12. Цицикян Г.Н., Кунаев С.Н. Электродинамические силы между соосными плоскими катушками круговой формы. – Труды Крыловского государственного научного центра, 2022, т. 4, № 402, с. 109–114.
13. Калантаров П.Л. Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Справочная книга. Л.: Энергоатомиздат, 1986, 488 с.
14. Frederick W.G. Inductance Calculations: Working Formulas and Tables. – VAN Nostrand. New-York, 1947, 286 p.
15. Wang C.-S., Stielau O.H., Covic G.A. Design Considerations for a Contactless Electric Vehicle Battery Charger. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2005, vol. 52, No. 5, pp. 1308–1314, DOI: 10.1109/TIE.2005.855672.
16. Цицикян Г.Н., Антипов М.Ю. Строгие и аппроксимирующие выражения для индуктивностей соленоидов круговой и квадратной формы. – Электричество, 2020, №2, с. 35–41.
#
1. Hirai J., Kim T.-W., Kawamura A. Study on Intelligent Battery Charging Using Inductive Transmission of Power and Information. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2000, vol. 15(2), pp. 335–345, DOI: 10.1109/63.838106.
2. Boys J.T., Elliott G.A.J., Covic G.A. An Appropriate Magnetic Coupling Co-Efficient for the Design and Comparison of ICPT Pickups. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, vol. 22, No. 1, pp. 333–335, DOI: 10.1109/TPEL.2006.887590.
3. Lee S.-H., Lorenz R.D. Development and Validation of Model for 95 % Efficiency, 220 W Wireless Power Transfer over a 30 cm Air-Gap. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2011, vol. 47 (6), pp. 885–892, DOI: 10.1109/ECCE.2010.5617901.
4. Bosshard R., Kolar J.W. Inductive Power Transfer for Electric Vehicle Charging: Technical Challenges and Tradeoffs. – IEEE Power Electronics Magazine, 2016, vol. 3(3), pp. 22–30, DOI:10.1109/MPEL.2016.2583839.
5. Guidi G. et al. Wireless Charging for Ships: High-Power Inductive Charging for Battery Electric and Plug-In Hybrid Vessels. – IEEE Electrification Magazine, 2017, vol. 5(3), pp. 22–32, DOI: 10.1109/MELE.2017.2718829.
6. Gerasimov V.A., Komlev A.V., Filozhenko A.Yu. Trudy Krylovskogo gosudarstvennogo nauchnogo tsentra – in Russ. (Proceedings of the Krylov State Scientific Center), 2022, vol. 2, No. 400, pp. 116–126.
7. Pedder D.A.G., Brown A.D., Skinner J.A. A Contactless Electrical Energy Transmission System. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1999, vol. 46, No. 1, pp. 23–30, DOI: 10.1109/41.744372.
8. Abe H., Sakamoto H., Harada K. A Noncontact Charger Using a Resonant Converter with Parallel Capacitor of the Secondary Coil. – 13th Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1998, vol.1, pp. 136–141, DOI: 10.1109/APEC.1998.647681.
9. Jang Y., Jovanovic M.M. Contactless Electrical Energy Transmission System for Portable-Telephone Battery Chargers. – IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2003, vol. 50, pp. 520–527, DOI: 10.1109/TIE.2003.812472.
10. Joung G.B., Cho B.H. An Energy Transmission System for an Artificial Heart Using Leakage Inductance Compensation of Transcutaneous Transformer. – PESC Record, 27th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, 1996, vol. 1, pp. 898–904, DOI: 10.1109/PESC.1996.548688.
11. Neyman L.R., Demirchyan K.S. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki (Theoretical Foundations of Electrical Engineering): vol. 1. L.: Energoizdat, 1981, 538 p.
12. Tsitsikyan G.N., Kunaev S.N. Trudy Krylovskogo gosudarstvennogo nauchnogo tsentra – in Russ. (Proceedings of the Krylov State Scientific Center), 2022, vol. 4, No. 402, pp. 109–114.
13. Kalantarov P.L. Tseytlin L.A. Raschet induktivnostey. Spravochnaya kniga (Calculation of Inductances. The Reference Book). L.: Energoatomizdat, 1986, 488 p.
14. Frederick W.G. Inductance Calculations: Working Formulas and Tables. – VAN Nostrand. New-York, 1947, 286 p.
15. Wang C.-S., Stielau O.H., Covic G.A. Design Considerations for a Contactless Electric Vehicle Battery Charger. – IEEE Transacti-ons on Industrial Electronics, 2005, vol. 52 (5), pp. 1308–1314, DOI: 10.1109/TIE.2005.855672.
16. Tsitsikyan G.N., Antipov M.Yu. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 2, pp. 35–41
Опубликован
2023-11-30
Раздел
Статьи