OTIMIZAÇÃO DE BOBINAS ATRAVÉS DE SIMULAÇÕES PARAMÉTRICAS

Resumo

A tecnologia de transferência de energia sem fio, Wireless Power Transfer - WPT, tem chamado à atenção da comunidade científica. Esta tecnologia possui uma variedade de aplicações, como na área engenharia biomédica aplicações em eletrônica, veículos elétricos, entre outras. Esses sistemas são constituídos de um par de bobinas acopladas e um conversor, neste caso usado para transferência de energia elétrica. Os transformadores/indutores planares em placa de circuito impresso (PCB) sem núcleo, são utilizados em sistemas WPT, pois possuem grandes vantagens, tanto do ponto de vista econômico, ou seja, de baixo custo para fabricação, quanto do ponto de vista físico, possibilitando elevada densidade de potência, sem perda magnética e com fácil replicação de projeto [1]. Desta forma, se faz necessário realizar a análise dos parâmetros que influenciam no projeto das bobinas em PCB, como número de espiras, indutância, espaçamento entre espiras e largura do traço das espiras. Este trabalho busca mostrar o impacto dos parâmetros de projeto de bobinas PCB, de maneira a nortear a melhor escolha de parâmetros, a partir de simulações computacionais por meio do Método Elementos Finitos intrínsecos no software ANSYS Q3D. Inicialmente, obedecendo valores e tamanhos mais comuns nas literaturas para sistema WPT de baixa potência, foi escolhido o modelo de bobina quadrado, com 96 mm de aresta. A bobina foi desenhada, utilizando a ferramenta de desenho do software ANSYS Q3D, tendo como o número de espiras de N = 12, sendo que a largura (w - width) das espiras teve como valores w = 0,5 mm, w = 1,0 mm, w = 1,5 mm, a espessura (t - thickness) foi fixada em 0,1 mm. O espaçamento entre as espiras, também chamado de pitch (p), variou de p = 0,1 mm até p = 3,5 mm quando a bobina tinha largura w = 0,5 mm, já para o indutor com espira de largura w = 1,0 mm, o pitch variou de p = 0,1 mm até p = 3 mm e para o indutor de maior largura, w = 1,5 mm, o pitch variou de p = 0,1 até p = 2,5 mm. As simulações foram realizadas sob diferentes frequências variando de 10 kHz até 16.56 MHz. Mediante os resultados obtidos, foi constatado o aumento da indutância com um maior pitch, combinando com a espira mais fina, w = 0,5 mm. O número de espiras foi limitado a N = 12, e área da bobina limitada à 96 mm x 96 mm. Assim, pode-se observar a influência das escolhas dos parâmetros de projeto. Sob os diferentes valores de frequência simuladas, não houve influência no aumento ou diminuição da indutância. Foi observado que com o aumento do pitch para as larguras simuladas, a indutância aumentou, também foi constatado que com uma menor largura e o pitch máximo, obteve-se o melhor projeto de bobina, pois o maior espaço entre as espiras mais finas compensou as maiores indutâncias das mais largas. [1] Tang, S. C.; S.Hui. Coreless planar printed-circuit-board (pcb) transformers-a fundamental concept for signal and energy transfer. IEEE Transactions on Power Electronics, v. 15, n. 5, p. 93-941, Sep. 2000.