Efficient wireless power transfer with magnetoinductive waves

Abstract: This dissertation demonstrates the suitability of magnetoinductive wave devices to realize efficient wireless power transfer (WPT) systems with positioning-freedom for the receiver. In contrast to existing solutions, this approach enables a charging area that needs simple control and electronic circuitry.

Magnetoinductive waves (MIW) propagate throughout arrays of LC resonators with low attenuation provided that the quality factor of the resonators is high, and their spatial configuration renders an increased magnetic coupling between them. The devices herein resonating at 13.56 MHz are made with double-spiral coils, each with an area of 14 cm² and a quality factor of 100. This geometry, resulting from an optimization process, is composed of two mirrored, flat square spirals that are connected in series and arranged laterally on the same plane. By overlapping consecutive double-spirals by 50% in a brick wall configuration an efficient propagation is possible.

A 1D MIW device of ten double-spiral coils with an overall length of 30 cm demonstrates how to power up a receiver with 80% of efficiency. A 2D MIW device with a total area of 22 × 22 cm² made with 112 of these coils achieves an efficiency of 50%. Both devices, fabricated with printed circuit board technology, are excited at only one of their resonators and can provide at least 3.5 W and 5 W to load of 5 Ω located at 10.5 mm and 7 mm of axial separation.

Because MIW devices can be considered as synthetic waveguides they are subjected to standing waves causing the power available for the receiver to depend on its position. It is evinced here that the standing waves are both the culprit and the solution to this problem because one can manipulate their location in real-time with respect to the receiver position found by information retrieved from the already-traveling magnetoinductive wave.

After presenting and comparing different approaches of WPT systems with positioning freedom, the fundamentals of MIW propagation are introduced and a figure of merit is defined. This is followed by an optimization process of the resonating cells. The optimal operating conditions of the two MIW devices are derived in terms of efficiency and maximum power transfer with the help of the impedance matrix and its relation to the excitation voltage and the currents circulating through the cells. This method is proven fast and direct by a comparison to analytic expressions and accurate by subsequent measurements. At last, the results are benchmarked with the approaches found in the state-of-the-art
Abstract: Die vorliegende Dissertationsschrift beweist die Eignung von magnetoinduktiven Wellen für eine effiziente drahtlose Energieübertragung (aus dem Englischen: WPT) mit Freiheit zur Positionierung des Empfängers. Im Gegensatz zu existierenden Lösungen erlaubt dieser Ansatz eine Fläche zum elektrischen Laden mit einfacher Elektronik und Regelung.

Magnetoinduktive Wellen (MIW) propagieren mit geringer Dämpfung durch Felder von LC Resonatoren, vorausgesetzt, deren Anordnung garantiert eine hohe magnetische Kopplung zwischen ihnen und der Qualitätsfaktor der Resonatoren ist hoch.

Das hier vorgestellte System besteht aus spiralförmigen Doppelspulen mit einer Querschnittsfläche von je 14 cm² und einem Qualitätsfaktor von 100, welche bei 13, 56 MHz resonieren. Die aus einer Optimierung resultierende Geometrie besteht aus zwei gespiegelten flachen Quadratspulen, welche in einer Ebene liegen und in Serie geschaltet sind. Durch eine 50%-ige Überlagerung von aufeinanderfolgenden Spulen in einer zweiten Ebene wird eine effiziente Wellenausbreitung ermöglicht. Ein 1D MIW-System bestehend aus 10 Doppelspulen mit einer Gesamtlänge von 30 cm demonstriert, wie ein Empfänger mit 80% Effizienz mit Energie versorgt werden kann. Ein 2D System bestehend aus 112 solcher Spulen mit einer Gesamtfläche von 22 × 22 cm² erreicht 50%. Beide Systeme sind in Leiterplattentechnik realisiert. Sie werden an nur einem Resonator angeregt und versorgen eine 5 Ω Last mit 3, 5 W bis 5 W in einem axialen Abstand von 10, 5 mm bis 7 mm.

Da MIW-Systeme als synthetische Wellenleiter verstanden werden können, bilden sich in ihnen stehende Wellen aus. Folglich ist die übertragbare Energie positionsabhängig, was zunächst ein Problem darstellt Andererseits bietet sich genau hier auch die Lösung, denn man kann die Positionen in Echtzeit beeinflussen. Hierzu muss die aktuelle Empfängerposition aus der sich ausbreitenden Welle bestimmt werden.

Nach einer Vorstellung und Diskussion diverser WPT Systeme mit Positionsfreiheit werden die Grundlagen für die Propagation von magnetoinduktiven Wellen ausgearbeitet und eine Leistungskennzahl (figure of merit) abgeleitet. Es folgt der Optimierungsprozess für die resonante Spulengeometrie und –anordnung. Anschließend werden mit Hilfe der Impedanzmatrix, ihrer Beziehung zur Erregerspannung und den in den Spulen fließenden Strömen die optimalen Betriebsbedingungen hinsichtlich Effizienz und maximaler Energieübertragung für die zwei MIW Systeme abgeleitet. Durch den Vergleich von analytischen Ausdrücken mit entsprechenden Messergebnissen zeigt sich, dass die Methode schnell, direkt und akkurat ist. Abschließend werden die Ergebnisse bewertet und quantitativ mit zuvor existierenden Lösungen verglichen

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2018

Classification and Topics

• Classification: Elektrotechnik, Elektronik

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2020
• Creator: Suárez Sandoval, Fralett
• Contributor: Wallrabe, Ulrike ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/155035
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-1550355
• Rights: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 25.03.2025, 1:49 PM CET