Планарные резонансные структуры для беспроводной ближнепольной передачи энергии к одному или нескольким приемникам тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Смирнов Павел Алексеевич

• Смирнов Павел Алексеевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Смирнов Павел Алексеевич

Реферат

Synopsis

Введение

1 Генетический алгоритм оптимизации планарных спиральных катушек различных форм для повышения равномерности распределения магнитного поля передатчиков систем БПЭ

1.1 Разработка алгоритма оптимизации

1.2 Применение ГА оптимизации к планарным спиральным катушкам

1.3 Анализ результатов работы алгоритма

1.4 Выводы

2 Планарная резонансная структура с равномерным распределением магнитного поля для систем беспроводной передачи энергии к одному приемнику

2.1 Разработка конструкции и описание принципа работы планарной резонансной структуры

2.2 Разработка и численное исследование системы БПЭ на основе планарной резонансной структуры

2.3 Экспериментальное исследование прототипа планарной резонансной структуры

2.4 Сравнительный анализ различных передающих структур для систем беспроводной передачи энергии

2.5 Выводы

3 Система беспроводной передачи энергии к нескольким приемникам одновременно с передатчиком в виде периодической планарной резонансной структуры

3.1 Конструкция периодической резонансной структуры и выбор геометрии

элементарной ячейки

3.2 Численное исследование параметров планарной резонансной структуры конечного размера

3.3 Экспериментальное исследование прототипа системы БПЭ на основе периодической планарной резонансной структуры

3.4 Выводы

Заключение

Список обозначений

Список использованных источников

Приложение А. Результаты интеллектуальной деятельности автора по теме

диссертации

Приложение Б. Публикации автора по теме диссертации

Реферат

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Планарные резонансные структуры для беспроводной ближнепольной передачи энергии к одному или нескольким приемникам»

Актуальность

Альтернативу проводным или контактным методам питания аккумуляторных батарей различных электронных устройств может составить технология беспроводной передачи энергии (БПЭ), основанная на явлении взаимной магнитной индукции. Эта технология уже активно используется в сфере потребительской электроники, а также внедряется для зарядки аккумуляторных батарей электромобилей, беспилотных летательных аппаратов, устройств интернета вещей и медицинских имплантируемых устройств. Она позволяет повысить удобство эксплуатации устройств и обеспечить высокую надежность по сравнению с проводными и контактными методами питания.

В технологии ближнепольной БПЭ, основанной на явлении взаимной магнитной индукции, передача энергии осуществляется за счет энергии переменного магнитного поля, источником и приемником которого служат планарные катушки индуктивности. Данная технология позволяет с высокой эффективностью передавать энергию на расстояния порядка десятков миллиметров, что для ряда применений вполне целесообразно и удобно. Самым ярким примером является беспроводная зарядка смартфона от зарядной станции, реализованная по формату «один-к-од-ному», то есть на одной передающей катушке размещается одна приемная катушка. Обычно у среднестатистического пользователя в наличии имеется несколько мобильных гаджетов (смартфон, наушники, умные часы, умная колонка и прочее). Использование для их зарядки технологии БПЭ формата «один-к-одному» является неудобным. Поэтому для дальнейшего и более широкого внедрения технологии БПЭ в различные сферы жизни и в различные электронные устройства необходимо расширять функциональность ближнепольных систем БПЭ, обеспечивая беспроводную зарядку нескольких мобильных гаджетов одновременно. Системы БПЭ, поддерживающие такую функцию, носят название «один-ко-многим». Для создания таких систем необходимо преодолеть ряд технологических проблем и вывести

технологию БПЭ на новый уровень развития. К основным недостаткам технологии ближнепольной индуктивной БПЭ относятся:

1) выраженное снижение эффективности передачи энергии при смещении приемной катушки из центра передающей катушки. Такое снижение эффективности вызывается неравномерным распределением магнитного поля классических передающих катушек, которое имеет максимум в центре и быстро спадает на краях катушек;

2) сложность обеспечения одинаковой переданной мощности к множеству приемных устройств в системах БПЭ «один-ко-многим». Данный недостаток также вызван неравномерным распределением магнитного поля классических передающих катушек и выражается в том, что к приемникам, расположенным в центре передатчика, энергия передается более эффективно чем к тем, что расположены на периферии передатчика;

3) низкая радиочастотная безопасность для человека и биологических тканей за счет возникновения вблизи планарных катушек высокой напряженности электрического поля. Длительное воздействие таких полей на человека вызывает перегрев тканей и органов, что может привести к негативным последствиям для здоровья.

Решение указанных проблем, препятствующих более широкому внедрению технологии БПЭ в различные области техники, является актуальной научной и инженерной задачей, на решение которой направлена данная диссертационная работа.

Цель работы

Целью данной диссертационной работы является разработка планарных передающих резонансных структур, которые в системах ближнепольной БПЭ «один-ко-многим» могли бы служить источниками магнитного поля, обеспечивая: высокую устойчивость эффективности передачи энергии к смещениям приемника относительно передающей структуры; возможность одновременной беспроводной зарядки нескольких приемников, расположенных над передающей структурой;

необходимый уровень радиочастотной безопасности для тела человека и других биологических тканей.

Задачи работы

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие научные задачи:

1) разработать метод оптимизации конструкции передающих планарных спиральных катушек круглой и выпуклой многоугольной формы для повышения равномерности распределения создаваемого ими магнитного поля;

2) разработать конструкцию планарной резонансной структуры, обладающей высокой равномерностью распределения магнитного поля и высоким уровнем радиочастотной безопасности;

3) разработать конструкцию планарной резонансной структуры с возможностью настройки резонансной частоты в диапазоне от 200 кГц до 10 МГц для использования в системе ближнепольной БПЭ «один-ко-многим».

Методы исследования

В ходе выполнения задач, поставленных в данной диссертационной работе, были использованы как теоретические, так и экспериментальные методы исследования:

1) метод многовитковой аппроксимации был использован для аналитического расчета пространственного распределения индукции магнитного поля, создаваемого планарными спиральными катушками;

2) для решения задач оптимизации конструкций планарных спиральных катушек и резонансных структур были использованы два метода: метод генетической оптимизации и метод доверительной области;

3) анализ собственных характеристик планарных резонансных структур, а также параметров систем БПЭ на их основе проводились в программном пакете полноволнового электродинамического моделирования CST Microwave Studio, который включает в себя широкий набор численных методов расчета объемных

электродинамических структур. Конкретно для решения задач диссертационной работы применялись методы конечных элементов и расчета собственных значений;

4) экспериментальное исследование спектральных радиочастотных характеристик планарных спиральных катушек и резонансных структур проводились путем измерения их матрицы рассеяния с помощью векторного анализатора цепей (ВАЦ);

5) методом ближнепольного сканирования с помощью прецизионного 3-ко-ординатного сканнера и измерительного магнитного зонда Langer EMV XF-R 1001, сигнал с которого регистрировался ВАЦ Planar S5048, проводились измерения пространственного распределения напряженности магнитного поля планарных резонансных структур;

6) для обработки результатов численных и экспериментальных исследований были разработаны программы на языке Python 3.0 с использованием библиотек NumPy, Matplotlib и других.

Основные положения, выносимые на защиту

1) Разработанный алгоритм синтеза планарных спиральных катушек круглой и выпуклой многоугольной формы за счет генетической оптимизации распределения витков позволяет достичь коэффициента вариации величины магнитного поля не более 5% для относительного размера области интереса не более 0,5.

2) Предложена конструкция планарной резонансной структуры, состоящей из двух слоев взаимно ортогональных проводников, разделенных диэлектрическими вставками в углах структуры, использование которой вместо планарной спиральной катушки той же площади с оптимизированным расположением витков, позволяет уменьшить величину удельного коэффициента поглощения электромагнитной энергии в 4 раза и коэффициент вариации магнитного поля с 15% до 4% при относительном размере области интереса 0,5 и обеспечивает в ее пределах максимальную эффективность передачи энергии к одному приемнику не хуже 70%.

3) Планарная резонансная структура из периодически упорядоченных элементарных ячеек, состоящих из двух ортогонально расположенных проводников

соединенных конденсатором, может быть настроена на частоту, соответствующую стандарту Qi (100-200 кГц) или стандарту А^ие1 (6,765-6,795 МГц) путем изменения размеров ячеек и величины емкости конденсатора при сохранении фиксированной площади резонансной структуры. В предложенной конструкции периодической планарной резонансной структуры для стандарта А^ие1 с резонансной частотой 6,78 МГц достигается эффективность беспроводной передачи энергии к одному приемнику 84,8% и общая эффективность передачи энергии к трем приемникам 83,2%.

Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1) впервые разработан алгоритм оптимизации планарных спиральных передающих катушек систем БПЭ «один-ко-многим», способный повышать равномерность распределения магнитного поля катушек различных геометрий и размеров с учетом рабочей частоты системы БПЭ. Было показано, что сегментация катушек большого электрического размера на несколько вложенных позволяет достичь равномерного распределения поля на частотах, при которых условие магнитостатиче-ского приближения выполняется для каждой вложенной катушки;

2) впервые разработана планарная резонансная структура из двух слоев взаимно ортогональных неэквидистантно расположенных проводников, разделенных в углах диэлектрическими вставками с высокой диэлектрической проницаемостью. Было показано, что такое неэквидистантное распределение проводников и частичное заполнение пространства между слоями позволяет повысить равномерность распределения магнитного поля. Для системы БПЭ, в которой разработанная пла-нарная резонансная структура выступает в роли передатчика, была численно продемонстрирована высокая радиочастотная безопасность системы, выражающаяся в низком удельном коэффициенте поглощения (УКП) электромагнитной энергии;

3) впервые разработана система БПЭ для одновременного беспроводного питания одного или нескольких приемников на основе планарной резонансной структуры, из периодически упорядоченных элементарных ячеек в виде двух

ортогонально расположенных проводников, соединенных в месте их пересечения конденсатором. Конструкция элементарной ячейки позволяет реализовать рабочую частоту в диапазонах частот стандарта БПЭ Qi (100-200 кГц) или стандарту А№ие1 (6,765-6,795 МГц). Характеристики системы БПЭ были исследованы численно и экспериментально, а также проведено их сравнение с известными аналогами и классическими системами БПЭ на основе планарных спиральных катушек.

Практическая значимость

1) Предложенный метод повышения равномерности распределения магнитного поля планарных спиральных катушек и разработанный генетический алгоритм, реализующий данный метод для катушек круглых и выпуклых многоугольных форм позволяет значительно сократить время разработки систем БПЭ «один-ко-многим», а также уменьшить количество вычислительных ресурсов, требуемых для расчета и оптимизации распределения магнитного поля спиральных катушек по сравнению с программами полноволнового электродинамического моделирования.

2) Применение планарных резонансных структур в качестве источников магнитного поля в ближнепольных системах БПЭ к одному или нескольким приемникам одновременно позволяет существенно повысить радиочастотную безопасность этих систем и передавать более высокую мощность от зарядной станции к приемнику без вреда для тела человека и других биологических тканей.

Достоверность

Достоверность научных положений, результатов и выводов исследований, проведенных в ходе диссертационной работы, обеспечивается комплексом факторов. Их основу составляет корректный выбор и использование современных методов вычислительной электродинамики с верификацией результатов через взаимное сопоставление данных аналитического моделирования, численных расчетов и экспериментальных измерений. Проведение экспериментальных исследований осуществлялось на высокоточном измерительном оборудовании, при этом

наблюдалась согласованность результатов измерений с аналитически и численно предсказанными.

Апробация результатов работы

Основные результаты, полученные в ходе диссертационной работы, за последние 3 года были представлены на следующих российских и международных научно-технических конференциях:

1) 2023 IEEE MTT-S International Wireless Symposium (IEEE IWS 2023), (Циндао, 2023);

2) Российский форум «Микроэлектроника 2023» (Сириус, 2023);

3) XIII Конгресс молодых ученых ИТМО (Санкт-Петербург, 2024);

4) LIII научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (ППС) (Санкт-Петербург, 2024).

Личный вклад автора

Личный вклад автора выражается в непосредственном выполнении и определяющем участии во всех этапах исследований, результаты которых являются основой данной диссертационной работы. Автором лично осуществлялось планирование и проведение численных экспериментов, а также натурных испытаний, обработка и интерпретация полученных данных и формулирование выводов. Значительная роль принадлежит автору в постановке целей и конкретных задач научного исследования. Им был предложен метод оптимизации планарных спиральных катушек произвольных форм для повышения равномерности распределения магнитного поля, разработан алгоритм, реализующий данный метод, выполнен анализ результатов работы алгоритма и проведено сравнение с аналогами. Автором были предложены, численно и экспериментально исследованы две конструкции планар-ных резонансных структур для применения в системах беспроводной передачи энергии с одним и несколькими приемниками. Полученные научные результаты исследований были обнародованы и апробированы автором в виде публикаций в

научных журналах, докладов на конференциях, патентов на полезную модель, а также авторских свидетельств на программу для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и 2 приложений. Полный объем диссертации составляет 218 страниц, включая 72 рисунка и 8 таблиц. Список литературы содержит 107 наименований.

Основное содержание работы

Во введении дано определение технологии БПЭ, выполнен обзор основных сфер ее применения, ее преимуществ и недостатков по сравнению с проводными и контактными методами питания электронных устройств. Введена классификация электромагнитных методов БПЭ по дальности и физическому принципу передачи энергии. Наибольшее распространение получили ближнепольные системы БПЭ, основанные на явлении электромагнитной индукции: системы индуктивной и магнитно-резонансной передачи энергии. Также введена классификация систем БПЭ по количеству одновременно питаемых потребителей на системы «один-к-одному» и «один-ко-многим». Для систем «один-ко-многим» представлен обзор различных подходов к решению одной из основных проблем - неравномерности распределения магнитного поля передатчика. Рассмотрена проблема радиочастотной безопасности систем БПЭ, выполнен обзор международных и российских нормативных документов, которые устанавливают предельно допустимые уровни УКП, электрического и магнитного полей для различных частотных диапазонов. Приведена классификация способов повышения радиочастотной безопасности в системах БПЭ. К ним относятся: использование экранирующих материалов, детектирование посторонних объектов, таргетированное формирование поля, использование дополнительных пассивных или активных компенсирующих катушек, применение метапо-верхностей и резонаторов на их основе для управления распределением электромагнитного поля системы БПЭ. В результате выполненного обзора современного состояния технологий индуктивной и магнитно-резонансной БПЭ, обозначены

ключевые недостатки таких систем и поставлены задачи, направленные на устранение этих недостатков.

В первой главе представлены результаты разработки генетического алгоритма (ГА) оптимизации конструкции передающих планарных спиральных катушек круглой и произвольной выпуклой многоугольной форм для повышения равномерности распределения создаваемого ими ближнего магнитного поля, а также численной и экспериментальной проверке результатов работы алгоритма на конкретных реализациях катушек.

Для аналитического расчёта распределения магнитного поля катушки использовался метод многовитковой аппроксимации, который заключается в представлении катушки в виде набора соосно расположенных замкнутых контуров с током различного размера. Расчет магнитного поля каждого отдельного витка осуществлялся в магнитостатическом приближении по закону Био-Савара-Лапласа. Общее поле катушки при этом определялось как суперпозиция магнитных полей, создаваемых каждым витком в отдельности. Для численной оценки неравномерности распределения магнитного поля катушки используется коэффициент вариации магнитного поля (в англоязычной литературе известен как coefficient of variation, COV, и далее по тексту будет употребляться англоязычный термин), который также выступает в качестве целевой функции ГА. Область, в которой рассчитывалось значение COV, и в которой требовалось получение равномерного распределение магнитного поля, носит название «область интереса» (ОИ).

Был выполнен анализ двух самых простых и распространенных типов катушек: одиночного круглого витка радиусом rmax =10 см, изображенного на рисунке 1 a), и спиральной катушки с эквидистантным распределением N витков с радиусами от rmin = 1 см до rmax = 10 см. Эквивалентная многовитковая модель второй катушки изображена на рисунке 2 a). Для них была рассмотрена зависимость COV магнитного поля от размера ОИ и высоты ее расположения. Полученные графики показаны на рисунке 1 б) для одиночного витка и на рисунке 2 б) для эквидистантной многовитковой спиральной катушки. Эти графики иллюстрируют, что для одновитковой катушки существуют комбинации высоты и размера ОИ, при

которых достигается высокая равномерность поля, но при этом относительная высота принимает большие значения, а относительный размер ОИ находится в области малых значений. Совокупность этих параметров делает применение передающих одновитковых катушек непрактичным. Для многовитковой катушки наблюдается высокий коэффициент вариации при любых сочетаниях высоты и размера ОИ, что также говорит о невозможности применения такого типа катушек в системах БПЭ «один-ко-многим».

Относительный размер ОИ Зжм/З,

Рисунок 1 - Одиночный виток с током: а) схематичное изображение, б) зависимость COV распределения магнитного поля от относительных размера и

высоты расположения ОИ [1]

Относительный размер ОИ

Рисунок 2 - Спиральная катушка с эквидистантным расположением витков: а) эквивалентная многовитковая модель, б) зависимость COV магнитного поля от относительных размера и высоты расположения ОИ [1]

На примере круглой спиральной катушки было проведено исследование минимального COV магнитного поля при оптимизации катушки с помощью разработанного ГА для различных целевых относительных размеров и высот расположения ОИ. Для этого относительный размер ОИ изменялся в диапазоне от 0,1 до 0,9 с шагом 0,05, относительная высота ОИ изменялась от 0 до 0,5 с шагом 0,02. Для каждой комбинации значений была проведена оптимизация расположения витков и получены минимальные значения COV, которые могут быть достигнуто для катушки круглой формы с помощью предложенного ГА. Из результатов, представленных на рисунке 3, можно сделать вывод, что COV поля оптимизированных катушек заметно ниже, по сравнению с COV поля эквидистантной многовитковой катушки (рисунок 1 г)) и по сравнению с равномерностью поля одного витка с током (рисунок 1 б)). Также видно, что за счет оптимизации положения и размеров витков в плоских спиральных катушках может быть достигнуто равномерное распределение поля вблизи катушки. На относительных высотах до 0,05 и при размере ОИ вплоть до 0,65 COV не превышает 5%. Этот результат имеет существенное значение для практической реализации ближнепольных систем БПЭ типа "один-ко-многим", в которых требуется высокая равномерность магнитного поля для обеспечения одинаковой эффективности передачи энергии для приемников, расположенных в пределах ОИ.

Относительный размер ОИ вц£>1 /8тах Рисунок 3 - Минимальное значение COV круглой катушки, полученное в ходе оптимизации с помощью ГА для различных комбинаций высоты и размера ОИ [1]

Для экспериментального подтверждения результатов работы разработанного ГА была выполнена оптимизация трех планарных спиральных катушек круглой, квадратной и шестиугольной формы. Затем катушки были изготовлены и выполнено измерение распределения их магнитного поля, результаты которого представлены на рисунке 4 а).

а)

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Относительный размер ОИ 8яо1/5„

Рисунок 4 - а) Измеренное распределение магнитного поля планарных спиральных катушек с оптимизированным распределением витков, б) сравнение рассчитанных и измеренных COV катушек с оптимизированным распределением

витков [1]

Для измеренных распределений магнитного поля был рассчитан COV и выполнено сравнение с теоретическими значениями, представленное на рисунке 4 б). Наблюдается хорошее соответствие между теоретическими и экспериментальными результатами - средняя абсолютная ошибка между рассчитанным и измеренным

COV для катушек с оптимизированным расположением витков составляет 1,1%, что подтверждает точность предложенной аналитической модели для расчета распределения магнитного поля, а также результаты работы ГА. Также по рисунку 4 б) видно, что для катушек с оптимизированным расположением витков независимо от их формы при относительном размере ОИ менее 0,5 достигается COV менее 5%, что делает их подходящими для применения в системах БПЭ типа «один-ко-мно-гим». Полученные результаты делают предложенный алгоритм перспективным инструментом для разработки передающих планарных катушек систем БПЭ «один-ко-многим».

Далее в главе был проведен сравнительный анализ предложенного ГА с другими известными из литературы методами повышения равномерности распределения магнитного поля спиральных катушек. Показано, что с помощью предложенного ГА можно достичь оптимальной комбинации равномерности поля и площади ОИ. Предложенный ГА превосходит аналоги или сопоставим с ними по одному из этих параметров, либо по обоим сразу. Было показано, что большая равномерность магнитного поля может быть достигнута только за счет применения объемных катушек, что существенно ухудшает массогабаритные характеристики системы БПЭ.

Также показано, что предложенный ГА, в отличие от аналогов, способен оптимизировать спиральные катушки не только стандартных геометрий (круглая, прямоугольная), но и катушки произвольных выпуклых многоугольных форм, что существенно повышает гибкость его применения при разработке систем БПЭ.

Отдельно были рассмотрены границы применимости данного метода оптимизации. Было обнаружено, что в случае, когда электрическая длина проводника спиральной катушки становится сопоставимой с длиной волны на рабочей частоте, пространственное распределение магнитного поля искажается и перестает соответствовать рассчитанному с помощью магнитостатического приближения. Был предложен метод обеспечения корректности расчетов магнитного поля планарных спиральных катушек в рамках квазистатического приближения за счет разделения исходной катушки на систему параллельно соединенных вложенных катушек с

меньшими длинами проводников, из которых они намотаны. Численно была показана достоверность данного метода.

Во второй главе диссертационной работы предложена конструкция планар-ной резонансной структуры с однородным распределением магнитного поля для систем БПЭ к одному приемнику с повышенной радиочастотной безопасностью. Известные из литературы планарные резонансные структуры в настоящее время далеки от практического применения в связи с такими факторами как низкая равномерность распределения магнитного поля и нетехнологичность изготовления. В данной главе предлагается планарная резонансная структура, которая лишена этих недостатков. Конструкция данной структуры изображена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Конструкция планарной резонансной структуры: а) вид сверху, б) вид

сбоку [2]

Предложенная резонансная структура представляет собой два слоя печатных проводников длиной Ь и шириной w, расположенных на расстоянии Si друг от друга на подложке из стеклотекстолита FR-4 толщиной 1 мм с диэлектрической проницаемостью = 4,4. Два слоя ориентированы так, чтобы проводники на разных слоях были расположены ортогонально друг другу. Расстояние между слоями проводников составляет h. Пространство между слоями имеет неоднородное заполнение: в четырех углах конструкции располагаются диэлектрические вставки шириной й и диэлектрической проницаемостью е, а остальное пространство имеет воздушное заполнение. Для увеличения равномерности распределения магнитного

поля был применен метод неэквидистантного распределения проводников структуры.

Для планарной резонансной структуры был выполнен численный анализ собственных колебаний и соответствующих им распределений магнитного поля. Было показано, что на частоте основного собственного колебания наблюдается равномерное распределение магнитного поля практически на всей площади планарной резонансной структуры, как показано на рисунке 6 а). Для собственных колебаний более высоких порядков наблюдается локализация поля близи отдельных областей структуры. Таким образом, был сделан вывод о том, что требования к равномерности распределения магнитного поля в системе БПЭ могут быть достигнуты с помощью основного собственного колебания структуры.

Был проведен параметрический анализ зависимости частоты основного собственного колебания структуры от четырех основных конструкционных параметров, а именно: ширины й и диэлектрической проницаемости е диэлектрических вставок, расстояния между слоями к, количества проводников в каждом слое N. Анализ показал, что наибольший вклад в изменение резонансной частоты структуры вносит диэлектрическая проницаемость вставок, расположенных в углах структуры. На рисунке 6 б) изображен график зависимости частоты основного собственного колебания структуры от диэлектрической проницаемости вставок различных размеров, из которого видно, что можно добиться снижения резонансной частоты вплоть до 5 МГц. Для настройки структуры на рабочую частоту стандарта А№ие1, которая составляет 6,78 МГц, требуется применение диэлектриков с диэлектрической проницаемостью порядка нескольких сотен, например сегнетоэлек-триков на основе смеси ВаТЮз/ SrTiOз с включениями Mg2TiO4-MgO. Исходя из этого и учитывая требования к практической реализуемости резонансной структуры и экономической целесообразности ее использования в системах БПЭ, в качестве рабочей была выбрана частота 27 МГц. Выбор частоты обусловлен двумя факторами:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Смирнов Павел Алексеевич, 2025 год

Литература

1. Sasatani T., Sample A.P., Kawahara Y. Room-scale magnetoquasistatic wireless power transfer using a cavity-based multimode resonator // Nature Electronics. Springer US, - 2021. - Vol. 4, № September. - P. 689-697.

2. Subudhi P.S., Krithiga S. Wireless Power Transfer Topologies used for Static and Dynamic Charging of EV Battery: A Review // International Journal of Emerging Electric Power Systems. - 2020. - Vol. 21, № 1. - P. 1-34.

3. Zhou Y., Liu C., Huang Y. Wireless power transfer for implanted medical application: A review // Energies. -2020. - Vol. 13, № 11. - P. 2837.

4. Song M., Jayathurathnage P., Zanganeh E., et al. Wireless power transfer based on novel physical concepts // Nature Electronics. Springer US, - 2021. - Vol. 4, № 10. - P. 707-716.

5. Cannon B.L., Hoburg J.F., Stancil D.D., Goldstein S.C. Magnetic Resonant Coupling As a Potential Means for Wireless Power Transfer to Multiple Small Receivers // IEEE Transactions on Power Electronics. - 2009. - Vol. 24, № 7. - P. 1819-1825.

6. Moon S., Kim B.C., Cho S.Y., et al. Analysis and design of a wireless power transfer system with an intermediate coil for high efficiency // IEEE Transactions on Industrial Electronics. IEEE, - 2014. - Vol. 61, № 11. - P. 58615870.

7. Cai C., Wang J., Nie H., et al. Effective-Configuration WPT Systems for Drones Charging Area Extension Featuring Quasi-Uniform Magnetic Coupling // IEEE Transactions on Transportation Electrification. - 2020. - Vol. 6, № 3. - P. 920-934.

8. Zhang Y., Wang L., Guo Y., Zhang Y. Optimisation of planar rectangular coil achieving uniform magnetic field distribution for EV wireless charging based on genetic algorithm // IET Power Electronics. - 2019. - Vol. 12, № 10. - P. 2706-2712.

9. Song M., Smirnov P., Puhtina E., et al. Multi-mode metamaterial-inspired resonator for near-field wireless power transfer // Applied Physics Letters. AIP Publishing LLC, - 2020. - Vol. 117, № 8. - P. 083501.

10. Smirnov P., Kapitanova P., Nenasheva E., Song M. Compact Hybrid Metasurface-Inspired Resonator with Uniform Magnetic Field Distribution for Wireless Power Transfer // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. IEEE, - 2022. - Vol. 21, № 1. - P. 193-197.

11. Xu Q., Hu Q., Wang H., et al. Optimal Design of Planar Spiral Coil for Uniform Magnetic Field to Wirelessly Power Position-Free Targets // IEEE Transactions on Magnetics. - 2021. - Vol. 57, № 2.

12. Simpson J., Lane J., Immer C., Youngquist R. Simple Analytic Expressions for the Magnetic Field of a Circular Current Loop // Recon. - 1829. № February 2001. - P. 1-3.

Optimization of transmitter coils of "one-to-many" wireless power transfer systems

Smirnov P., Miroshnikov A., Zotov N., Westphal M., Kapitanova P.

Department of Physics, ITMO University

49 Kronverksy Ave., St. Petersburg, 197101, Russia

Abstract

This paper presents a method for increasing the uniformity of the magnetic field of planar spiral coils, for their use as transmitters of one-to-many wireless power transfer systems. Due to the rapid growth in the number of electronic devices requiring constant power supply, the development of such a class of systems is an important and urgent task. The developed method is the application of a genetic algorithm for optimizing the distribution of turns of transmitting coils in such a way that the coefficient of variation of the field reaches the lowest value above their surface. The coil field is calculated approximately, according to the Bio-Savard law. The accuracy of this approach is sufficient for practical applications of the proposed method.

Keywords: wireless power transfer; planar spiral coil; optimization; genetic algorithm; magnetic field; coefficient of variation.