Bài viết Nghiên cứu ảnh hưởng của ferrite lên hệ số ghép trong hệ thống nạp điện không dây cho ô tô điện phân tích ảnh hưởng của ferrite tới hệ thống, từ đó có thể nâng cao hệ số ghép k thông qua việc lựa chọn các cấu trúc ferrite. Những kết quả này có được qua quá trình mô phỏng và tính toán trên phần mềm Ansys Maxwell.
Trang 1NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA FERRITE LÊN HỆ SỐ GHÉP TRONG HỆ THỐNG NẠP ĐIỆN KHÔNG DÂYCHO Ô TÔ ĐIỆN
Nguyễn Phú Sơn
Khoa Năng Lượng – Trường Đại học Thủy lợi, email: sonnp@tlu.edu.vn
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Cho đến nay phương pháp sạc ắc quy có
dây cho ô tô điện đang được sử dụng rộng
rãi Nhược điểm của phương pháp này nằm ở
những yếu tố an toàn như dây dẫn hỏng hoặc
sạc dưới thời tiết mưa gió có thể gây nguy
hiểm tới tính mạng, vì vậy sạc cảm ứng là
một giải pháp thay thế
Trong đề tài này tác giả nghiên cứu, phân
tích ảnh hưởng của ferrite tới hệ thống, từ đó
có thể nâng cao hệ số ghép k thông qua việc
lựa chọn các cấu trúc ferrite Những kết quả
này có được qua quá trình mô phỏng và tính
toán trên phần mềm Ansys Maxwell
2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Thay đổi kích thước của các lớp ferrite để
tối ưu hóa hệ số ghép của cặp cuộn dây sơ
cấp và thứ cấp hình dạng tròn, phẳng Đồng
thời c ũng nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ từ
thẩm tương đối lên hệ số ghép Từ đó mô
hình hóa cấu trúc của ferrite trên cả hai phía
sơ cấp và thứ cấp
Hệ số ghép k cho biết bao nhiêu lượng từ
thông được tạo ra bởi cuộn sơ cấp sẽ tới được
cuộn thứ cấp và được miêu tả qua công thức:
1 2
k
L L (1)
Với L1 và L2 là điện c ảm của cuộn sơ cấp
và thứ cấp, M là hỗ cảm
Các thông số kỹ thuật ban đầu mà đề tài
tập trung nghiên cứu của cuộn sơ cấp như
sau: Bán kính trong r i1 = 6 cm, bán kính
ngoài r 01 = 29 cm Đối với cuộn thứ cấp, bán
kính trong r i2 = 9 cm, bán kính ngoài
r 02 = 12,5 cm, khoảng cách g = 150 mm giữa cuộn thứ cấp và sơ cấp Theo [1], khi c ác vòng dây đồng riêng rẽ của cuộn sơ cấp và thứ cấp được thay bằng một bản đồng đồng nhất (Hình 1) thì hệ số ghép k thay đổi không đáng kể, trong trường hợp này k = 13,1% Phương pháp thay thế này giúp thời gian mô phỏng ngắn hơn đáng kể
Hình 1 Cấu trúc vòng sơ cấp v à thứ cấp
Trong cách tiếp c ận đầu tiên, tác giả đưa một đĩa ferrite đồng nhất xuống phía dưới cuộn sơ cấp và thay đổi bán kính ngoài
r a , bán kính trong ri, độ dầy d1 của đĩa ferrite
đó cũng như khoảng c ách x 1 giữa đĩa ferrite
và cuộn sơ cấp Đồng thời độ từ thẩm tương đối c ũng được cho thay đổi từr = 1000 lên
r = 2000 Tác giả cũng thay đổi độ cao cạnh
viền w 1 của đĩa ferrite với mục đích đánh giá
mức độ ảnh hưởng c ủa độ cao w 1 với hệ số ghép, từ đó tạo ra một cấu trúc "nồi" Hình 2
mô tả mặt cắt 2D của cấu trúc nồi ferrite phía
sơ cấp Sau quá trình mô phỏng c ó thể lựa chọn được các thông số phù hợp cho đĩa ferrrite phía sơ cấp cũng như độ từ thẩm tương đối c ủa vật liệu từ
Trang 2Hình 2 Cấu trúc nồi ferrite phía sơ cấp
Hình 3 mô tả kết quả ảnh hưởng của độ từ
thẩm tương đối r đối với hệ số ghép k
Hình 3 Mối quan hệ giữa r và k
Từ kết quả trên, giá trị độ từ thẩm tương
đối được lựa chọn là r = 1500
Bảng 1 mô tả kết quả thu được sau quá
trình mô phỏng đối với cách tiếp cận
đầu tiên
Bảng 1: Thông số đĩa ferrite sơ cấp
33 cm 6 cm 0,5 cm 0 cm 0,1 cm
Bằng việc thêm đĩa ferrite với các thông số
trong Bảng 1, hệ số ghép k đạt giá trị 16,5%,
tăng 25,9% so với khi không sử dụng ferrite
Kết quả cũng cho thấy cấu trúc nồi không
ảnh hưởng đến việc cải thiện hệ số ghép k
Trong cách tiếp cận thứ hai, tác giả đưa đĩa
ferrite lên phía trên cuộn thứ cấp, lúc này
phía sơ cấp không có đĩa ferrite Tương tự
như cách tiếp cận đầu tiên, các thông số của
đĩa ferrite phía thứ cấp như bán kính ngoài
r a,sek , bán kính trong r i,sek , độ dầy d2, khoảng
cáchx 1 giữa đĩa ferrite và cuộn thứ cấp c ũng
như độ cao cạnh viền w 2 của đĩa ferrite được thay đổi nhằm tìm ra một cấu trúc hợp lý sao cho hệ số ghép k là tối ưu Hình 4 mô tả kết quả ảnh hưởng của độ từ thẩm tương đối r đối với hệ số ghép k Giá trị độ từ thẩm tương đối được lựa chọn là r = 500
Hình 4 Mối quan hệ giữa r và k
Bảng 2 mô tả kết quả thu được sau quá trình mô phỏng đối với cách tiếp cận thứ hai Bảng 2: Thông số đĩa ferrite thứ cấp
10 cm 3 cm 3 cm 0 cm 0,1 cm Bằng việc đặt đĩa ferrite với c ác thông số trong Bảng 2 lên trên cuộn thứ cấp, hệ số ghép k đạt giá trị 14,6%, tăng 11,5% so với khi không sử dụng ferrite Hình 5 mô tả mặt cắt 2D của cấu trúc ferrite phía thứ cấp
Hình 5 Cấu trúc f errite phía thứ cấp
Trang 3Cách tiếp cận thứ ba là đưa đĩa ferrite vào
cả hai phía sơ cấp và thứ cấp Thay đổi đồng
thời c ác thông số của đĩa ferrite sơ cấp và thứ
cấp, từ đó phân tích thấy được ảnh hưởng của
cấu trúc ferrite cũng như độ từ thẩm lên hệ số
ghép k như thế nào
3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Qua ba cách tiếp cận, cấu trúc đĩa ferrite
phía sơ cấp và thứ cấp được mô tả qua
Bảng 3:
Bảng 3 Kết quả sau mô phỏng
Bán kính ngoài phía sơ cấp 33 cm
Bán kính trong phía sơ cấp 6 cm
Độ dầy đĩa phía sơ cấp 0,5 cm
Bán kính ngoài phía thứ cấp 10 cm
Bán kính trong phía thứ cấp 3 cm
Độ dầy đĩa phía thứ cấp 3 cm
Với sự trợ giúp của ferrite, hệ số ghép đạt
giá trị k = 0,186, tăng lên 42% so với khi
không sử dụng ferrite
Hình 6 mô tả mẫu tối ưu sau ba cách
tiếp c ận:
Hình 6 Mẫu tối ưu
4 KẾT LUẬN
Đề tài đã xác định được c ác thông số của đĩa ferrite cho hệ thống truyền năng lượng dạng cảm ứng, quan hệ giữa hệ số ghép k với
hệ số từ thẩm tương đối, đảm bảo tối ưu hóa hiệu suất truyền năng lượng không dây, kết quả mô phỏng tính toán đạt kết quả tốt Kết quả của đề tài làm tiền đề cho bước tiếp theo nhằm tối ưu được cấu trúc hình học của vật liệu từ mềm cũng như nghiên c ứu về loại vật liệu từ nào đảm bảo hiệu suất truyền năng lượng
5 TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] NGUYEN, PHU SON 06/2014 Analyse
und Optimierung des Spulendesigns für dein Einsatz in induktiven
Energieübertragungssystemen, Karlsruhe