Modeling of an electro-mechanical-acoustic contactless energy transfer system based on multiphysics networks and resonant topologies
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2021 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | eng |
Título da fonte: | Manancial - Repositório Digital da UFSM |
Texto Completo: | http://repositorio.ufsm.br/handle/1/27591 |
Resumo: | Esta tese de Doutorado apresenta uma metodologia de modelagem para um sistema eletro-mecânico-acústico de transferência de energia sem fio/wireless e a análise e projeto dos conversores estáticos do sistema. Sistemas de transferência de energia sem contato (CET) são divididos principalmente em acústico, indutivo, capacitivo e óptico, com aplicações relacionadas à biomedicina e carregadores sem fio. O sistema eletro-mecânico-acústico CET é composto de: transmissor e receptor ultrassônicos baseados em piezoeletricidade, um meio de transferência de energia e os circuitos de conversão de energia. Devido aos multidomínios, como o elétrico, mecânico e acústico, um cenário multifísico é apresentado. A modelagem deste tipo de sistema requer uma metodologia muito bem definida. Neste âmbito, este trabalho apresenta um modelo analítico multifísico baseado em parâmetros concentrados. O modelo é baseado na geometria e nas propriedades dos materiais. Por meio de uma decomposição em parâmetros adimensionais, o sistema é representado em um modelo de espaço de estados normalizado. O modelo gera soluções que são independentes de especificações de projeto e não necessitam do conhecimento dos parâmetros reais do sistema. Ademais, este trabalho mostra um modelo elétrico equivalente que pode ser convertido em um modelo do transformador piezoelétrico que é usado como parte do circuito ressonante em topologias de conversores ressonantes. Esta técnica permite o projeto dos circuitos de conversão de energia que gerenciam a transferência de potência. Além disso, um modelo multifísico de ordem aumentada é proposto como melhoramento dos modelos supracitados. Os modelos são avaliados para diferentes cenários e uma análise de erro é usada para comparar a resposta experimental do sistema físico com os resultados teóricos. Topologias ressonantes são utilizadas neste trabalho como representação do sistema e um modelo dinâmico médio generalizado é aplicado no conversor ressonante Classe-E² . Um protótipo que inclui, transmissor/receptor ultrassônico, meio de transfêrencia sólido e os circuitos de conversão de energia, foi construído visando avaliar a viabilidade do sistema para aplicações práticas. |
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Modeling of an electro-mechanical-acoustic contactless energy transfer system based on multiphysics networks and resonant topologiesModelagem de um sistema eletro-mecânico-acústico de transferência de energia wireless baseado em circuitos multifísicos e topologias ressonantesContactless energy transfer systemsMultiphysics networksResonant power conversionSistemas de transferência de energia sem contatoCircuitos multifísicosConversão ressonante de energiaCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAEsta tese de Doutorado apresenta uma metodologia de modelagem para um sistema eletro-mecânico-acústico de transferência de energia sem fio/wireless e a análise e projeto dos conversores estáticos do sistema. Sistemas de transferência de energia sem contato (CET) são divididos principalmente em acústico, indutivo, capacitivo e óptico, com aplicações relacionadas à biomedicina e carregadores sem fio. O sistema eletro-mecânico-acústico CET é composto de: transmissor e receptor ultrassônicos baseados em piezoeletricidade, um meio de transferência de energia e os circuitos de conversão de energia. Devido aos multidomínios, como o elétrico, mecânico e acústico, um cenário multifísico é apresentado. A modelagem deste tipo de sistema requer uma metodologia muito bem definida. Neste âmbito, este trabalho apresenta um modelo analítico multifísico baseado em parâmetros concentrados. O modelo é baseado na geometria e nas propriedades dos materiais. Por meio de uma decomposição em parâmetros adimensionais, o sistema é representado em um modelo de espaço de estados normalizado. O modelo gera soluções que são independentes de especificações de projeto e não necessitam do conhecimento dos parâmetros reais do sistema. Ademais, este trabalho mostra um modelo elétrico equivalente que pode ser convertido em um modelo do transformador piezoelétrico que é usado como parte do circuito ressonante em topologias de conversores ressonantes. Esta técnica permite o projeto dos circuitos de conversão de energia que gerenciam a transferência de potência. Além disso, um modelo multifísico de ordem aumentada é proposto como melhoramento dos modelos supracitados. Os modelos são avaliados para diferentes cenários e uma análise de erro é usada para comparar a resposta experimental do sistema físico com os resultados teóricos. Topologias ressonantes são utilizadas neste trabalho como representação do sistema e um modelo dinâmico médio generalizado é aplicado no conversor ressonante Classe-E² . Um protótipo que inclui, transmissor/receptor ultrassônico, meio de transfêrencia sólido e os circuitos de conversão de energia, foi construído visando avaliar a viabilidade do sistema para aplicações práticas.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESConselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPqThis doctoral thesis shows a modeling methodology for an electro-mechanicalacoustic contactless energy transfer system and the analysis and design of its power conversion circuits. Contactless energy transfer systems (CET) are mainly divided into acoustic, inductive, capacitive and optical, which main applications related to biomedical and wireless chargers. The electro-mechanical-acoustic CET system is composed of: an ultrasound transmitter and a receiver based on piezoelectricity, a transfer media and a power conversion circuit. Due to the multi-domains, like as electrical, mechanical and acoustical, a multiphysics scenario is depicted. Modeling of such system requires a welldefined methodology. In this sense, this work presents an analytical multiphysical model based on lumped parameters. The model is based on the geometry and properties of the materials. By means of a decomposition into unit-less parameters scheme, the system is represented by a normalized state-space model. The model leads to solutions that do not depend on design specifications and do not rely on real system parameters. This work shows an equivalent electrical model that can be converted into a piezoelectric transformer model, which is used as part of the resonant tank in resonant topologies. This allows the design of power conversion circuits in order to manage the transfered electrical power. Furthermore, an augmented-order multiphysical model is proposed as an enhancement of the previous models. The models are evaluated for different scenarios and an error analysis is conducted based on the comparison between the experimental response of the physical system and the theoretical results. Resonant topologies are used as representation of the system and the generalized averaged dynamic modeling is performed for the Class-E² resonant converter. A practical demonstrator including the piezoelectric ultrasound transmitter and receiver, solid transfer media, and the power conversion circuitry was assembled in order to evaluate the feasibility of the system for practical applications.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia ElétricaUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCentro de TecnologiaBisogno, Fábio Eckehttp://lattes.cnpq.br/6267716868501584Álvarez, José Marcos AlonsoLopes, Juliano de PelegriniMartins, Mário Lúcio da SilvaBeltrame, Rafael ConcattoMendonça, Lucas Sangoi2023-01-13T14:31:28Z2023-01-13T14:31:28Z2021-05-17info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/27591engAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2023-01-13T14:31:28Zoai:repositorio.ufsm.br:1/27591Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/ONGhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.comopendoar:2023-01-13T14:31:28Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false |
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Modeling of an electro-mechanical-acoustic contactless energy transfer system based on multiphysics networks and resonant topologies Mendonça, Lucas Sangoi Contactless energy transfer systems Multiphysics networks Resonant power conversion Sistemas de transferência de energia sem contato Circuitos multifísicos Conversão ressonante de energia CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA |
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Esta tese de Doutorado apresenta uma metodologia de modelagem para um sistema eletro-mecânico-acústico de transferência de energia sem fio/wireless e a análise e projeto dos conversores estáticos do sistema. Sistemas de transferência de energia sem contato (CET) são divididos principalmente em acústico, indutivo, capacitivo e óptico, com aplicações relacionadas à biomedicina e carregadores sem fio. O sistema eletro-mecânico-acústico CET é composto de: transmissor e receptor ultrassônicos baseados em piezoeletricidade, um meio de transferência de energia e os circuitos de conversão de energia. Devido aos multidomínios, como o elétrico, mecânico e acústico, um cenário multifísico é apresentado. A modelagem deste tipo de sistema requer uma metodologia muito bem definida. Neste âmbito, este trabalho apresenta um modelo analítico multifísico baseado em parâmetros concentrados. O modelo é baseado na geometria e nas propriedades dos materiais. Por meio de uma decomposição em parâmetros adimensionais, o sistema é representado em um modelo de espaço de estados normalizado. O modelo gera soluções que são independentes de especificações de projeto e não necessitam do conhecimento dos parâmetros reais do sistema. Ademais, este trabalho mostra um modelo elétrico equivalente que pode ser convertido em um modelo do transformador piezoelétrico que é usado como parte do circuito ressonante em topologias de conversores ressonantes. Esta técnica permite o projeto dos circuitos de conversão de energia que gerenciam a transferência de potência. Além disso, um modelo multifísico de ordem aumentada é proposto como melhoramento dos modelos supracitados. Os modelos são avaliados para diferentes cenários e uma análise de erro é usada para comparar a resposta experimental do sistema físico com os resultados teóricos. Topologias ressonantes são utilizadas neste trabalho como representação do sistema e um modelo dinâmico médio generalizado é aplicado no conversor ressonante Classe-E² . Um protótipo que inclui, transmissor/receptor ultrassônico, meio de transfêrencia sólido e os circuitos de conversão de energia, foi construído visando avaliar a viabilidade do sistema para aplicações práticas. |
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