Modeling and Design Optimization of Loosely Coupled PCB Spiral Coils in Inductive Power Transfer Systems

多物理 电磁线圈 最大功率转移定理 电子工程 计算机科学 有限元法 优化设计 功率(物理) MATLAB语言 工程类 控制工程 电气工程 物理 机器学习 操作系统 结构工程 量子力学
作者
Xiaotong Du,Dražen Dujić
出处
期刊:IEEE Transactions on Power Electronics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:38 (11): 13430-13442 被引量:1
标识
DOI:10.1109/tpel.2023.3306178
摘要

There are various possibilities to realize coil winding designs for an inductive power transfer system. In order to achieve high power transfer efficiency and power density and explore tradeoffs between the two, design optimization around the coil link is needed and often requires multiphysics modeling. In addition, the speed of optimization depends on the models complexity and used tools. This article proposes a systematic design optimization flow, which achieves fast optimization by avoiding calling finite-element method simulations in each optimization iteration. The optimization flow utilizes electric circuit model, the electromagnetic model and the thermal model. The electromagnetic models used to predict inductances, coupling and losses of coils are pretrained artificial neural networks. The temperature rise is modeled with thermal nodal networks. The electric circuit model calculates the efficiency and output voltage of each coil design. The multiphysics models are all implemented into MATLAB optimization tool. In the end, one optimal design is prototyped and developed models have been verified experimentally.
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