Development of a WPT system through magnetic coupling and modelling of mutual influence between the WPT system and the surrounding environment

This work offers a detailed report of the subjects that have been developed during the internship WICOMP 2016, performed at Airbus Group Innovation from June 6th to November 30th 2016. Analytical models previously conceived for the Image Theory have been successfully modified in accordance to the Anti-Image Theory, and formulas are presented in detail. A generalized Biot- Savart formula is implemented in order to visualize the magnetic flux distribution over the space as a consequence of the presence of one or more perfect electric conductor (PEC) or magnetic (PMP) planes. The results that have been obtained from different numerical simulations through a Boundary Element Method (BEM) are presented and discussed, for both the Image theory and the Anti-Image theory. Finally, experimental measurements on actual possible solutions are introduced and commented. Analytical and numerical computations have proven to give a proper estimation of the influence of PEC or PMP planes on values such as self- and mutual inductance. Applications of this work may be found in Wireless Power Transfer (WPT) devices and electronic circuit driving, as the variation of the latter quantities induces a shift in the resonance frequency that must be taken into account.

Il presente documento fornisce una relazione dettagliata degli argomenti sviluppati durante lo stage WICOMP 2016, svolto a Airbus Group Innovation dal 6 Giugno al 30 Novembre 2016. I modelli analitici precedentemente declinati per la Teoria delle Immagini sono stati opportunamente modificati per la Teoria delle "Anti-Immagini". Il lavoro presenta formulazioni dettagliate per i diversi casi presi in esame. La formula generalizzata dell’equazione di Biot-Savart è stata implementata a livello informatico con l’obiettivo di visualizzare la distribuzione del flusso magnetico nello spazio a seguito della presenza di uno o più piani perfettamente conduttori (PEC) o magnetici (PMP). Inoltre, si presentano i risultati ottenuti da simulazioni numeriche con l’aiuto di un software di calcolo a Elementi Finiti BEM (Boundary Element Method), sia per validare la Teoria delle Immagini, sia per la Teoria delle "Anti-Immagini". Infine, una campagna di test sperimentali è stata effettuata per verificare l’effettiva corrispondenza di modelli analitici e simulazioni numeriche con fenomeni e dinamiche reali. Si conclude che i modelli analitici e le simulazioni numeriche sviluppati permettono di ottenere una stima appropriata dell’influenza di piani PEC o PMP sui valori di induttanza e mutua induttanza. Possibili applicazioni del presente lavoro si possono trovare nell’ambito del design di dispositivi di trasferimento di energia senza contatto (WPT - Wireless Power Transfer) e di circuiti elettronici. Infatti, la variazione di induttanza e mutua induttanza comporta un disallineamento della frequenza di risonanza di tali circuiti, il quale deve essere adeguatamente considerato in fase di progettazione.