Modeling of an electro-mechanical-acoustic contactless energy transfer system based on multiphysics networks and resonant topologies

Abstract

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.