Intern ati o n a l  Jo u r n a l  of  P o we r El ec tr on i c s  an d D r i v e   S y stem   (I JPE D S)   V o l.  11 , N o . 2, Jun e   20 20 , pp . 71 1 ~ 72 5  I SSN :  208 8-8 6 9 4 , D O I:  10. 115 91 /i jp e d s.v 1 1 .i2 . p p71 1-7 25     7 11     Jo urn a l  h o me pa ge : h t t p :/ /ijpe d s. i a e s c o re. c o m   Design and implementati on  of an effi ci ent WPT system       A b d u l k ar ee m  Mo k i f Ob ai s 1 ,  Al i  F a eq  Ruzi j 2   1  De pa rt me n t   of  Bi om e d ic al E ngin e e r i ng, Uni v e r si ty  Ba by lo n, Ira q.  2  De p a rtme n t  o f  El ec tric a l  E ngi n e e r i ng,   Un ive r si ty  of  Ba b y lo n,  Ira q .       A r ticle In fo    A B S T RAC T   A r tic le  h i st o r y:  Rec e i v ed   O c t  1 0 ,  2 019  Re vise d N o v  9 ,  20 19   A c ce p t ed  Jan  22 , 20 20      Wire les s  p o wer  trans f er ( W P T )  is  a te chniqu e in tro d u ced  to tr a n sfer  pow er  wireles s ly. Gen e rally , WP T   s y s t e m s ar e  ch arac terized  by  lo w  ef ficien cy  and   l o w ou tp ut po w e r. Si nc e  W P T  p r oc e ss  d e pe nd s m a i n l y  o n   m u tu a l   c o up li n g   between tr ansmit ti ng and recei v i ng coi l s  i n  addition to  load  requi r eme n t s ,   i t   i s   focuse d  in this work  tow a rd  en han c ing   th e  m u tu al co up ling   and   con d ition i ng  the   re ce iv ing   circui t  so  as  to   op timally  s a tisfy  th e  lo ad  d e m a nd .   Th e  mutua l   cou p l ing  b e tween  tr ans m ittin g   an d r ece iving  nod es i s  en han ced   via ins e r t ing  thr ee r e son a ting   ci rcuits   a l on g with en erg y   tran sm iss i on  path   and   co nd itio n in g the r eceiving  circu i t su ch  th a t  it acco m p lish es deliv e ring   maximu m p o w e r to  th e  load  no de. In   th is  wo rk ,  an  ad a p tive  ef f i cient  WP T  sy stem is  in trod uced.  Th is  s y s t e m  is  carried  ou t on  P S pic e  an d v a lidated   e x pe rim e n t a l ly.  Bo t h  sim u lat i v e   a nd e xpe rim e nta l  W P T syste m s ha ve  acco mp lished  sig n ific ant  enh a n cem ent in  e ffic i ency .   The  pro p o s ed WPT   sy stem  has  th re e reson a to rs an d three   p a rallel co n n ect e d   id entica l   re ceiv i ng   coils  lo c a ted   at 6 . 61 m f r om  th e  p o w e r  tr ans m itter.  The  eff i c i en cy   enh a nc emen t   ap pro a c h es  th ou sa nd s of t i m e s th e effic i en c y  of  a  c o n v en tion al   W P T syste m  havi ng  si m i l a r  powe r   t r a n sm i tter located at the  sam e  dist a n ce  from  t h e recei vi ng  circuit,  w h ich has  a  s i ngle  coi l  iden t i cal   to those i n   the  p roposed  efficient  WPT s y s t em .  Ke yw ords:   Ef fi ci en cy  e nha n c em e n t  I ndu c tiv e  l i nk   M u tu al  co up li ng  M u tu al  in du ct an c e   Wi re le s s  p o we r  t r a n s f e r   Th is  is a n  o p en   acces s a r ticle   un d e r the   C C  B Y -SA  licens e .    Corres p o n din g  A u t h or:   A bdu lk a r e e m M o k i f  Ob ai s,  Depa rt me nt o f   Bi ome d i cal  E ngi nee r i n g,  Uni v ersi t y  o f   Ba byl on ,   Hi ll a ,  Bab y l o n, Ira q.  Emai l:  kari m o b a i s @ y a h o o .c om       1.   IN TR O DUCTION  In  th e  l a st years, t h e  enhanci n g t echnology  o f   p o w e r  tran sf er ( W PT) d e v e lop s   qui ck l y . The mo biles  or  other   el ectronic  de vic e s s u c h  as l a p t o p s   or  el e c tri c al  ve hi cles   co u l d  be char g e d  by   WPT tech n o l o g y .   These t e chniques coul d  be  use d   i n  pl aces whe n   w i ring   is di ffic u lt to   b e   a c c o mpli she d  [1-5]. Lo ng-ra nge   c once p t of  W P T  ha d   b e e n   fo rmul a t e d   aft e r mi cr o w ave  amp l i f ier  inv e nt i o n  for  high   p o w e r  p u r p oses.  Th e possib ilit y o f  po w e r  t r ansmi s si o n  via  el ectro magnet i c waves  gai n ed  mo r e   and mo r e   intention   fo r  ap p l i c a t i on pu r p o s es  [ 6 ,  7] .   T h e wo r k s cur r i e d ou t     by  [7 ,  8 ]  p r esent analytical  mod e l s   for cal culat i ng  the mu t u al   inductance  b e tw een  plan ar  spiral  co il s.  Th ese models ar e  ver y  u s eful  i n   th e desi g n   and opti m ization of wi r e l e ss p o wer tr ansf er s y st ems.  T h e pr op ose d  models  of  mutual  in d u ct ances bet w een   coil s  w e r e   d e ri v e d u s i n g   th e sol u t i on  o f   Neu m ann’s int e gr a l .  A n  approx imate fo r m u l a for   deter m i n i n g  t h e self-r esist a nce  o f  a  cir c ula r  mu l t i - l o op induc t o r  hav i n g  u n eq u a l   p itches w a s i n tro d u c ed b y  [ 9 ]. B o t h   prox imi t y an d   ski n  eff e ct s  w e re included i n  t h e suggest ed  for m u l a.  P r o x imi t y  eff e ct was d e t e r m i n ed  u s i n g     the  ma gnet ic f i e l ds  exer te d  o n  a  wir e  d u e to  o t h e r  wir e s .   Th e s t u d y  co nd u c ted   b y   [1 0] an a l y z ed   w ith a  c o n t e x t  o f   no n- f e r r o m agn e tic  me ta llic  p l a t e ,   th e  WP T  perfo rma n ce s.  The   mode l   of  t h e  WP T  i m pe dance  i n  t h e  me t a l  en vi ron m e n t   was   bui l t .  T h e  p r o p o se d  sy st em    i n   [11 ]   c o m p ri sed se veral   l o op i n d u ct ors  h a vi n g  di ffe re n t  siz e s. De pe nd ing  on   t h e c h a nge s  o f   t h e  di st anc e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          I SSN : 2 088 -86 94  I n t J   P o w   El ec  &  D r i S y st ,  V o l .  11,  N o .  2,   J u ne  20 2 0  :  71 1 –  72 5   71 2 b e t w e e n  th e tra n smit tin g  and r e ce iv in g sid e s,  th e   po w e r wa s sw i t ch e d  to   o n e  loo p  o f  t h e  i n du c t or s  f o r p o w e r  tr an sm issio n  an d  pow er r e cep ti o n .   A  W P T  sy ste m   of  13 .5 6 M H z w a s  i n t r o d u ced  by   [ 1 2 ]   and   i n ve stig a t e d   bo t h   th eo r e t i c a ll y   and  ex p e r i men t a lly  i n   add i tio n to si mu la tio n .  A re la tiv e  h i gh   i m p r ov em e n t  i n  eff i c i e n c y   of  ab ou t  41 .7 %  w a s  ac h i e v ed .  T h ree  ph a s e  a n g l es h a d b e e n  d e sign e d  a n d  an al y z e d  i n  [13 ] . S i ng l e   pow er a m pl if ier  on  th e pr i m ary   si de an d t w o  po we r ampli f i e rs  w e re   l o ca t e d  a t   t h e sec onda r y  side . T h e pr op ose d  mu l t i - d egre es me t h o d   of   pha se  co nt r o l  w a s c a p a bl e  of  ac hi e v i n g   simul t a n e o u s l y   addi t i o n a l   co mpe n sat i o n o f  t h e  rea c t a nc e ,   out put   re gu la ti o n , a n d   lo a d  tran sfo r ma tio n .     A co nsi s t e nt   o p ti mi zat i on  t e c hni que  w a s  c o nd uct e d  b y   [ 1 4 ]   f o r WPT s y st e m s eq ui p p e d   wi th pas s i v e  el em en t’ s  e n ha n c em e n t   b e g i n n i n g  fro m  si m p le ref l e c t o rs , in te rm e d i a te  r e lay s ,  a n d gen e r a l e l ec tr oma g n e tic  fo cu si ng and gu id ing stru c t ures,  lik e me ta ma ter i a l s a n d   me ta su rfa c e s. The pro p o s ed   wor k   e ffi ci en t l y so lv ed   t h e  p r obl em  o f   opt imi zat i o n  u s i n g  ar bit r a r y  num ber s  o f   pass ive  e l e m e n ts.   The  w o r k  c o n duct e d  b y  [ 1 5 ]   pre s e n t e d  an d e xpl a i ne d t h e  pu bl i s he d t e chni que s a n d  p r i n ci pl es   c once r nin g   al l  aspec t s  of  i n d u ct i v e l i nk   des i gn  p r oc esses   suc h   t h a t   no  s p eci f i c   p r e cedi n g  i n f o rma t i o n  a b o u t   in du c tiv e li n k   d e sign s ar e  r e q u i re d.  Th e  wo rk  in [1 6] in tro d u c e d  a ccu rat e   fo rmu l as  fo r c a l c u lat i ng  m u tu a l   i n d u ct anc e   bet w e e n s p ir al  c o i l s usi ng G a us sia n  int e g r at io n met h o d . T h e   r e sea r c h e s  int r o d u ce d  by [ 1 7- 2 2 ]  c once r n  e n ha nc in g c o u p li n g   c o e ffi c i e n ts   i n  di ff e r e n t  e nvi r o nme n ts  of  in d u c t i v e l i nks   i n   a ddi t i on   t o   a ppli c a t io ns of   WP T te ch n o l ogi e s  i n   co nt ac tl e s s el ec tr ic al   v e hic l es  a n d  e n e r gi zi n g  medi ca l sens ors .   In t h is  wo r k ,  po or e f fi ci e n cy  of  c o nve nt iona l  w i r e l e ss po we ri n g   pr oce s s  i s  en ha nce d   by   str e n g t h e n i ng  t h e  mu tu a l  coup lin g  al on g w i t h  p o w e r tr an smis sio n  p a t h  an d c ond it io n i ng   th e re c e i v i n g c i r c u i t  su ch  th a t   it  ac co mp li sh e s   m a xi mu m po w e r  rec e p t i o n t o  lo a d   no d e .       2.   De sign   o f   th e   prop os ed  ef fi c i en t WPT  s y s t e m   Th e  in du ct iv e   mu t u al  cou p ling   M ab   bet w ee n t w o  1 - t u r n  pl a n ar  spi r al  coi l s  is sh ow n  i n   F i g u r e  1a . T h e  mut u al   i n d u ct a n c e  be tw ee n t h e s e  t w o c o i l s  i s  gi ve n b y   [7 ]          ⁄ 1      (1)       (2)    Wh er e,  a  an d  b  are   th e ou t e r r a d ii  of  t h e   f i r s t  and  se cond  c o ils,  re sp e c t i v e ly .  µ 0  is t h e  p e r m e a b i lity  o f   fr ee  spac e a n d  z  i s  t h e  di st ance  bet w e e n   t h e   ce nte r s of   t h e t w o c o i l s , w h ic h  ar e   al igne d   c o a x i a l l y.          (a)     (b )      F i gu re  1.  I n d u c t ive   l i nk,  (a )   c o upl i n g bet w e e n   t w o  1 - t u rn   c o i l s , ( b )  mode l i n g   of   t w o c o i l  i nduc t i ve   l i n k .      F o r  mul t i - t ur ns pl ana r   s p ir al   c o il s, ( 1 ) ca n be  modi fi e d   t o      ∑∑     ⁄ 1          (3)       (4)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t  J Po w El ec   &  Dr i  S y st  IS SN:  208 8-8 6 9 4       D e si gn  a n d   i m pl eme n t a t i on  o f   an   e f f i c i e nt  WPT syst e m  (Ab dulk a ree m  M o ki f   Ob ai s)  7 13  Whe r e,   N 1  an d   N 2  are t h e  n u m be rs  of t u r n s of  the  first a nd se co n d  c o i l s, res p ec t i ve l y .  If t w o  in duc ti vel y   cou p l e d c o i l s  a r e formi n g  a   re son a nt   i n d u ct i v e li nk sh ow n  i n   F i g u re  1b , t h e n  t h e   l i nk  c u rre n t s  an d vol t a ge s at   re so na nce fre q u enc y   ca n be gi ve n  b y          , ≫  (5 )        , ≫    (6 )     Whe r e,   L 1  an d  L 2  a r e   self- i nd u c ta n c es  o f  th e f i rst  an d se cond  co ils, r e sp e c tiv el y .   M 12  i s  th e mu tu a l   ind u c ta n ce  bet w ee n the   t w o c o i l s.  R 1  an d  R 2  a r e t h e AC   resi sta n ces  o f   t h e fi rst  a n d se con d  c o i l s ,  res p e c t i ve ly .  C 1  an d   C 2   are t h e  t u ni ng   capa c i t a nce s   o f   the  sen d i n g  (tr a nsmit t i n g )  a nd  re cei vi ng  c i r c ui ts,  re sp ect i v el y,  w h ere a s   ω 0 =2 π f 0  is  th e   indu c tiv e l i n k  op er a ting  a n gu la r  fre qu en cy.   R re f l   i s  de fi ne d  b y        (7 )     The o u tp ut   v o l t age  V 2  i s   d e te rmin e d   by         , ≫  ,   (8 )     Th e  l i nk  in pu t p o w e r   P i , ou tpu t   pow e r   P 0 , an d  e ffi cie n cy   η  ca n be  gi ve n b y     | |   , ≫    (9)     | |    , ≫    (1 0)        , ≫    (1 1)     Whe r e,   Q 1 ,  Q 2 , an d   Q L  are   t h e  qual i t y fa ct ors  of the  first  coi l , secon d  c o i l , and l o a d , res p e c t ive l y at  reso na nce   fre que nc y  f 0 .  Q 1 ,  Q 2 , and  Q L  a r e de fi n e d b y   ω 0 L 1 / R 1 ,   ω 0 L 2 / R 2 , and  R L / ω 0 L 2 , re s p ect i v el y.  k 12  is t h e coe f fi ci ent   of co u p li ng  bet w een  t h e  t w o  c o i l s an d  i s  de fi ned   b y          (1 2)     For   l o osel y   co upl e d  in d u c t i v e l i nk  (11 )  ca n  cl osel y be a p proxi mat e d t o        , ≫  an d   ≪ 1  (1 3)     A cco rdi n g to  (1 1),  t h e ef fi c i ency  of  WPT  proc ess  i s  di re ct ly p r o p o rt i onal   t o  t h e   sq uare of  t h e   cou p l i ng  c o e f fi ci ent .   T h e pro p o se d  e f fi ci e n t  WPT   syste m   c a n  be depi ct e d  by  bl oc k   di a g ra m  o f  Fi g u re 2 .              F i gu re 2.   The  bl oc k di ag ram of t h e pr o pose d   s y ste m .       Cl a s s  E  P o w e r  A m p l i f i e r F i rs t R e s o n a to r  C i r c u i t WP T 1 S e c o nd  R e s o na t o r  C i r c ui t WP T 2 T h i r d  R e s o n a to r C i rc u i t WP T 3 R ecei v i n g  C i r c u i t WP T 4 T r a n s m ittin g  C o il S e cond  r e s onat o r   C o i l   F i r s t r e s o n a to r  C o il  P a r a l l el - c on n ect ed  R ecei v i n g  C o i l s T h ir d  r e s o n a to r   C o il  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
         I SSN : 2 088 -8 6 94  Int   J  P o w  Ele c   & D r i   S y st, V o l .  1 1 ,  N o .  2, Ju ne  20 2 0   :  71 1  – 72 5   71 4 It i s  o bvi ous t h at   t h e  pro p o s ed  syst em sh ow n  i n   F i g u re  2 c o mp ri ses  fo ur se ri es  WPT  s y ste m s. In t h i s   wo rk ,  t h ree   re sona t i ng c o i l s are   i n se rt ed  on t h e pa th  joi n i n g  t h e  t r a n smi t t i n g  a nd re cei vi ng  coi l s.    Th e  l o c a t i on s  o f  r e son a tin g  c o il s a r e se le c t ed  su ch t h at   ma x i mu m pow e r  i s  tr a n sferre d b e t w e e n  e a ch   t w o  a d ja ce n t   co ils.  Fi g u re  3  shows  th e  a l i gnme n t  o f  c o il s in   t h e  pr opo se d  indu c t i v e  li nk .  The  f i r s t  co il  from  th e   le f t  is  L 1 , whi c h  re prese n ts  t h e t r ansmit t i ng coi l   and it s  di s t a n ce  z 12  fro m  t h e se con d  co i l   L 2  (f ir st  r e s o nat o r  c o il)  i s  156 c m . A t  22 7 c m  to  th e  rig h t   o f  th e fi rs t r e son a t o r is l o ca te d  th e  th ird  c o il  L 3  (second   r e sonator coil),   w h ere a s  t h e fou r t h   co i l   L 4  (t h i rd  re so nat o r  c o i l ) i s  l o cat ed  at  14 0cm t o  ri ght   of  t h e  sec ond  res onat o r.  Thre e  simi l a r rec e i v ing  c o il s  L 5 ,  L 6 , a nd  L 7  are   or ien t ed   50 c m  t o   t h e r i gh t   o f  th e th ird   r e so n a tor an d ea ch  a d jac e n t   coi l s  are 2 0 c m   apa r t .            Fi gu re  3. Al ig n m ent  of   coi l s  i n   t h e  p r op ose d  syst em.      The  t r a n smi t t i ng c o i l  i s   show n i n   Fi g u re   4 a .  It  i s  wo u nd  wi t h  1 2 .6 67 t u rn ’s c o p p er  pi pe  ha vi n g  a n   out e r  di a m et er of 1 9 .0 5 m m  a nd wa ll  t h ic kne ss of 0. 9 1 m m.  T h e   c o il   out e r  di a m et er i s  62c m,  w h e r e a s it s  in n e r  d i a m e t e r   is  12 cm. Th e fi rst  re so n a t o r sh own  in  F i gur e 4b  i s   a  p l ana r   sp ir al  c o i l  w oun d w ith  5.5   t u rn’ s   cop p e r   pipe  h a vin g   out e r   di amet e r   of  1 9 .0 5 m m  a n d  wa l l  t h ic kne ss  of  0.91 mm.  T h e  coi l  out e r  a n d  i n n e r  di amet ers a r e  15 0cm  a n d 30 c m , res p ec t i ve l y .  T h e  se c o nd  reso na to r s h o w n in F i g u re  4c  is a pl ana r  spi r a l   c o il   wo u n d   wi t h  7.25   t u rn ’s c o pp er pipe  ha vi n g   o u t e r  dia m e t e r  of 6.3 5   mm a nd wal l   t h ic k n ess o f  0. 71 mm.  T h e   coi l   o u t e r di a m et e r  is  11 0c m  a n d  i t s   i nne r di amet e r  is  2 0 cm. T h e t h i r d reso nat o r sh ow n i n   F i gu re  4 d  is a   coni ca l  c o i l  w o u n d  wi t h   9.2 5   t u rn’s   c o p p e r  pi pe , whi c h has   an  out e r  di amet er  o f  19 .0 5   mm  a nd wa ll   th i c k n e ss o f  0 . 9 1 mm. Th e c o i l  o u ter a n d   inne r  d i am et e r s are  72 c m  an d 20c m,  r e s p ec tiv e l y .  Th e  co il  le ng th  i s   68c m.       (a )   (b )   ( c )   (d )          F i gu re  4.  P hot os  of  (a )  the  t r a n smi t t i n g  c o il   ( L 1 ) ,   (b ) t h e  fi rs t   r e s o nat o r c o i l  ( L 2 ), (c ) the   se c ond  re sona t o r   coi l   ( L 3 ) ,  ( d )   the  thi r d res o nator coil  ( L 4 ) .      The  rece i v i n g  ci rcui t  is  sh ow n i n   F i g u re   5.  It  is c o m p ose d  of   t h re e   si mi la r pla n ar spi r al  coi l s   con n ec t e d i n  p a ral l e l .  E ach  c o i l   is w o und  wi th  6 t u r n ’s c o p p e r  pi pe  ha v i ng  oute r   di am et er of  6.35  m m  an d  wal l  thi c kne ss  of  0.71 mm.  Th e coi l   out er  a n d  i n ner di amet ers  a r e  33 .5c m  and  6cm ,  res p ect i v el y. T h e c o i l s   i n   t h e prop ose d  WPT   s y st em are  wo u n d   wi t h  pi pe  co n duc t o rs  i n  o r de r  t o  de cre a s e the i r  AC  resi sta n ces  b y   d e cr e a s i n g  th e sk i n  e f f e c t ,   w h ich   h a s  g r e a t i m p a ct  on   th e  qu a lity   fac t o r s  o f  co i l s. D e c r e a sing  t h e A C   re si st ance s  of  coi l s i n c r ease s  t h e c o il s  qual i t y  fa ct or, whic h in  t u rn  i n c r e a ses t h e  l i nk  e f fi ci enc y  g ove rned  b y   (1 1)  o r   (1 3 ) ,  w h i c h i s  a p pli c a b l e  f o r l o osel y   c o u p l e d  i n du ct ive  l i nks.    227c m 15 6c m 50c m 68c m 140c m 62c m 20c m 20c m 150c m 110c m 72c m T r a n s m it t i n g  C o il F i rs t R s on a t or   C o i l T h re e  P a ra l l el  C o n n e ct e d   R e ce i v i n g  C o i l s T h i r d R s on at or  C o i l Secon d  R s on at or  C o i l 12 c m 30c m 20c m 20c m 6c m 30c m Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t  J  P o w  Elec  & Dri  Sy st   I SSN : 208 8-8 6 9 4       D e sign  an d i m p l em en ta t i on   o f  a n   e ffic ie n t   W P T  s y st e m   (Abd u l k a r eem  Mok if  O b a i s)  7 15  The  p r op ose d   WPT  s y st em   depi ct ed  i n  F i gu re  2  ca n  be  sch e ma ti ca ll y r e pre s e n te d  b y  t h e  ci rc uit   sh own   F i gu r e  6 .  I n  t h is F i gure ,   R 1 ,  R 2 ,  R 3 ,  R 4 ,  R 5 ,  R 6 , a n d   R 7   a r e t h e  AC  re si st a n ces  of t h e coi l s  L 1 ,  L 2 ,  L 3 ,  L 4 ,  L 5 ,  L 6 , and   L 7 , r e sp e c t i v e ly .  C 1 ,  C  2 ,  C  3 ,  C  4 , an d  C  5  ar e   tu n i n g   cap a c i t o r s of  t r an sm itti n g ,  fi rst   r e son a t o r,   sec o n d  r e son a to r ,   th ird r e son a t o r, a nd r ece iv in g  ci rcu its, re sp e c ti v e ly . Ea ch   M   r e pr e s en ts th e mu tu a l   in du c t a n ce   b e t w ee n two  c e r tai n  co i l s. For  ex amp l e  M 12  r e p r e s e n t s  th e mu t u al  indu c t a n ce  b e tw een   L 1  and   L 2 .  M 12  is equ a l to   M 21  ( M 12 = M 21 ) and  th is  is a pplic a b le f o r e ach   t w o   co ils .          Fi gu re  5.   A  ph ot o  of   t h e  rec e i v i ng ci rc uit ,  w h i c h is  co mp ose d  of  t h ree   pl a n ar   spi r al  coi l s  ( L 5 ,  L 6 , a n d   L 7 ).           F i gu r e  6.   S c he ma ti c re pr ese n t a t i on of   t h e  pr o pose d   syst e m .       The  i n d u ct anc e s  o f   pl ana r  s p i r al  c o il s  can   be   c a l c ul at e d   by  [ 15]         .  0.2  (14 )     Wh er e, th e a v e r ag e  d i a m e t e r  i s   d e n o t e d  by  d a vg =  0 . 5( d o + d i ).   d i  and  d 0  a r e t h e i n n e r  an d  o u t e r di a m et e r s  o f   th e  c o il,   r e sp e c t i v e l y , w h ile   β   is  th e  f i l l - f a c t or , w h ich  is   g i ve n  b y          (15 )     The   i n d u ct anc e   o f   t h e  co ni cal   coi l  sh own   i n  Figu re 7 ca n b e  ca lc ula t e d   a s  fol l o ws [23 ] :     .         ,   (16 )     Wh er e,  n ,  d i ,  s , and   Y  ar e co il  nu mb e r   o f  turn s, inn e r d i ame t e r ,   d i st an c e  be tw ee n two  ad jac e n t  turn s, an d  c o i l   an g l e, r e sp e c tiv el y .   Y  a nd  s  a r e  de fi ne d  by     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
         I SSN : 2 088 -8 6 94  Int   J  P o w  Ele c   & D r i   S y st, V o l .  1 1 ,  N o .  2, Ju ne  20 2 0   :  71 1  – 72 5   71 6   .   (1 7)      (1 8)     Whe r e,   d 0  i s   t h e c o i l   o u t e r  di amet e r .  W  an d  l  a r e co il  ax i a l  a n d  l o ng itu d i n a l  len g t hs,  r e sp ec ti v e ly. A l l  di me n s i o ns a r e  i n  i n c h e s .  Su bsti t u t i ng   for  n= 9. 25 ,  d i =2 0 c m=7 . 874 in c h e s ,   d 0 =7 2c m= 28 .3 4 6  i n c h e s ,  l = 6 8 c m= 26 .7 72  in ch es, a n d  W = 7 2.8cm= 28 .6 61   i n c h e s   i n to (1 6)  to (18 )  g i ve s  L co n =2 2 µ H .           Fi gu re  7.   The  i nve rse c o ni ca l  coi l .       The  DC  resi st ance s of al l   coi l s  i n   t h e  prop os ed WPT  sy st em can  be   c a l c u l at ed b y            (1 9)     Whe r e,   l C ,  σ Cu ,  w , a nd  w th , a r e t h e  c o i l  l e n g t h , co n duc ti vi ty  o f  c o p p er,  o u te r  di amet er  of   coi l  pi pe  c o n duc t o r,  and  wa ll  t h ic k n ess  o f  t h e   pipe .  The  c a l c ul at ed i n d u ct anc e s an d  DC   res i sta n ces a r e  l i ste d  in  Ta b l e  1. T h e   mutua l  i n duct a nce s   be t w een  c o i l s  ca n  be  ca l c ul at ed  usi n g  (3) .  T h e  coe ffi c i ent s   of co u p l i ng   bet w e e n  c o i l s a r e   ca lc ula t e d  acc ordi ng t o  (1 2) . T h e ca lc ula t e d  mut u al   i n d u ct anc e s  an d  the i r  c o rre sp on di n g   c o effic i e n ts  of   c o up lin g   are  list e d  in Tab l e  2.      Ta ble  1.  C o il ’s  cal cul a te d DC   re sist anc e  an d i n d u ct anc e s   Coi l  Na m e   D C  Re sista n ce  ( Ω ) I nducta nce   ( µ H)   L 1  0. 0041 827   46. 334   L 2  0. 0044 8   23. 864   L 3  0. 0184 74   29. 3   L 4  0. 0039   22   L 5 ,  L 6 ,   L 7  0. 0045 8   6. 0745       Th e A C  re sis t an ce   R AC  of   a c o i l   wo un d w i t h  c o p p e r  c o n d u ct ors  can  be   c a l c ul at ed  by   [2 4]           (2 0)       (2 1)     Whe r e,   R DC ,  σ Cu ,  w , a nd  δ Cu  a r e t h e  DC   re si st ance  of  t h e   coi l ,  c o nd uc ti v i ty o f   co p p e r ,  o u t e r di amet er   o f   t h e   coi l  co nd uc t o r, a n d c oppe r  ski n   de pt h  at   f 0 . R e spec ti ve ly .   A ppl yi ng ( 2 0 )   usin g t h e c o nd uct o r o u t e r  di amet ers  a n d cal cul a t e d DC   res i st ance  in Tabl e 1, the  A C   re si st ance s o f  a l l   coi l s  a r e cal c u l a te d  a n d  l i st ed in  Ta bl e 3 .                 W Y o d d i l Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t  J  P o w  Elec  & Dri  Sy st   I SSN : 208 8-8 6 9 4       D e sign  an d i m p l em en ta t i on   o f  a n   e ffic ie n t   W P T  s y st e m   (Abd u l k a r eem  Mok if  O b a i s)  7 17  Tabl e  2.  Mut u a l  ind u c t a n ces  a n d   t h ei r co rres po n d i ng c o u p l i ng  coef fi ci ent s   Mutual  I nducta nce   Va lu e (µH )   Coe f f i ci ent of   Coupl in g   Va lu e   M 12  0. 2621   k 12  0. 0078 82  M 13  0. 0161   k 13  0. 0004 37  M 14  0. 003   k 14  0. 0000 94  M 15  0. 0002 81   k 15  0. 0000 167 5  M 16  0. 0002 564   k 16  0. 0000 154  M 17   0. 0002 345   k 17  0. 0000 129 5  M 23   0. 1592   k 23  0. 006   M 24   0. 0179   k 24  0. 0007 81  M 25   0. 0015   k 25  0. 0001 246  M 26   0. 0013   k 26  0. 0001 08  M 27   0. 0012   k 27  0. 0001   M 34   0. 1358   k 34  0. 0053 5   M 35   0. 007   k 35  0. 0005 28  M 36   0. 0057   k 36  0. 0004 27  M 37   0. 0046   k 37  0. 0003 448  M 45   0. 1931   k 45  0. 0167   M 46   0. 0985   k 46  0. 0085 2   M 47   0. 0558   k 47  0. 0048 27  M 56   0. 5018   k 56  0. 0836 33  M 57   0. 1161   k 57  0. 0193 5   M 67   0. 5018   k 67   0. 0836 33    Ta ble  3.  C o il ’s ca lc ula t ed AC   resi sta n ces   Coi l   Na m e   AC   Re sista n ce   AC Re sista n ce   Valu e  ( Ω )  L 1   R 1   0. 185  L 2   R 2  0. 2  L 3   R 3  0. 27246   L 4   R 4  0. 172  L 5   R 5  0. 0676  L 6  R 6   0. 0676  L 7  R 7   0. 0676        S i n c e   th e t r an sm itti n g  co il ( L 1 ) a n d   t h e t h re e re so na ti n g   c o il s  ( L 2 ,  L 3 , and   L 4 ) are  o p er at i ng wi thi n   l oosel y c o u p le d c o n d it i o n s ,   t h e n  t h e  t uni ng   ca paci t o rs   C 2 ,  C 3 , and   C 4   sho w n  i n   F i g u re 6   c a n be det e r m i n ed  as   9. 25 nF ,  7. 53 4 5nF ,  a n d 1 0 . 0 34 463 nF ,  re s p ect i v el y.T h e  ci rcu i t  el ement s   C 1  a nd  L 1  i n  Figur e   6  are   p a rt s of  th e   out put   c i r c ui t o f  the   c l a s s- E  p o we r am pli f i e r ,  w h i c h r e p r e s e n t s  t h e  pow er t r ans m it t e r   of t h e pr op ose d   e f fi ci ent   WP T sy ste m .  T h e  se r i es  c o mb in at ion formed   by  C 1  an d  L 1  A r e  desi gn ed  t o  re s o na t e  at   a  fre qu enc y  sl i ghtl y   less than  f 0  a n d  t h ei r  e q ui val e nt  i m pe da nc e  a t  t h e  res o nanc e   fre que nc y  f 0  is  R 1 + jX ,  wh er e  X  is de fi ne d  b y   [ 2 5 ]        1.1 5 2   (22 )     Wh er e,  R  r e pr esen ts t h e   r e si sti v e   lo ad   of  c l a s s- E  p o w er  a m pl if ier   and   c a n  be  d e te rm in ed   by          (23 )     The tu ni n g   c a p ac i t or  C 5   o f   t h e  rec e i v in g c o i l s  sh ow n  i n  F i gu r e  6  ca n be   a p p r oxi mat e l y  de t e rmi n e d   i n   a  di f f e r e n t   pr o cedu r e.   Fi g u r e  8  mo del s  t h e  rec e i v i n g c o i l s   wi t hout   C 5  an d  R L . S i n c e   the  r e ce iv i n g  c i rcu i t  is  sym m e t ri cal  ar o u n d  t h e  bra n c h  inc l udi ng  L 6 , th en   I 5 = I 7  an d  I 6 =-2 I 5 . C o nse que ntl y ,  t h e i m p e da nc e  Z RCV  of  th e  pa ral l e l - c onne ct ed  rec e i v i ng  coi l s  ca n  be   de t e r m i n e d   by        0.5  0.5    0. 5  //   2   (24 )   Su bst i t ut i n g   t h e cal cul a te d  ci r c ui t pa ra me t e rs  in  (2 4)  gi ve s     0.02 3  4.04 ,    (25 )           F i gu r e  8.   M o d e l i ng of  the  r e c e i vi ng   c o i l s  wi t h o u t   C 5  and   R L .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          I SSN : 2 088 -86 94  I n t J   P o w   El ec  &  D r i S y st ,  V o l .  11,  N o .  2,   J u ne  20 2 0  :  71 1 –  72 5   71 8 A c cord ing   to  (2 5 ) ,  t h e r e qu ire d   v a lu e  fo r   C 5  to ac com p l i s h  r e s o nance  i s   11 6. 3 n F.   A t  resonance  fre qu ency   f 0   and   aft e r tuning all  ca pa ci tors s u c h  tha t  all li nk   ci rc ui ts  r e s o nat e  a t  t h e  s a m e   time,   th e l i nk  curr ents   c a n  be   relat e d   to each o t her  by    ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ 0 0 0 0 0 0 ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡                                                                                   ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤  (26 )     Wher e,   I 1 ,  I  2 ,  I  3 ,  I  4 ,  I  5 ,  I  6 , a n d  I  7  ar e the cu r r ent s  f l owing  th ro u g h  coils  L 1 ,  L 2 ,  L 3 ,  L 4 ,  L 5 ,  L 6 , a n d   L 7 , res p e c ti ve l y .   Sin c e,  L 1  an d  C 1   are  par t s   of the  clas s-E dri v i n g power  am plifier  and  res o nat e   a t  a fre quen c y  slig htl y  les s  th an  th e  link  resonan c e f r eq uency  f 0 ,  the  indu cti v e  re ac ta nc e  X  repr es ents   the i r e q uivale nt r e a c tan ce  at  f 0 .  Z 55 ,  Z 56 ,  Z 57 ,  Z 65 , Z 66 ,  Z 67 ,  Z 75 ,  Z 76 , a n d   Z 77  are  de f i ned by             ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡                     ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤   (27 )     A c cord ing   to th e  b l o c k   d i ag ram o f   th e ov era ll  pro p o s ed   WP T sy s t em , th er e  are fo ur   se ri es   WP T  s y s t em s   n a me l y  WP T 1 , WP T2,  WP T 3 ,   an d WP T 4 .  T h e  fi rs t   t h re e   s y st em s  WP T 1 ,  WP T2,   a n d  W P T3   ar e   l oosel y  co u p l e d sy st ems due t o   t h e rel a t i v el y  l a r g e   di sta n c e s  be tw ee n  t h e i r tr ans m it t i ng  and re ce ivi ng coi l s ,   t hus t h e  fi r s t   WP T s y st em  ( W PT 1)  c a n   be  anal yze d  se par a te ly  fr om  ot h e r  syste m s.  F i gur e  9 s h o w s  t h e  mo del   of  t h e  res ona nt   i nduc t i ve  l i n k c o r r es po n d i n g  t o   WPT1   syste m .  A t   re sona nce   f r e q ue ncy   f 0 ,  th e r e flec te d  re sis t an ce  R ref l   f r o m  the  sec o n d a r y  si de  ( f i r s t ,  sec o n d ,  a n d  t h ir d  reso na t o r s )  i n   the   pri m a r y si de  (t ra nsmi t t i ng  c o il ) is de te r m ine d  acc o r di ng   t o  E q uat i on   ( 7 )   as 1. 5 6 Ω .  V´  in F i g u r e   9 r e p r e s en ts t h e vo lt ag e  acro s s th e  re sis tiv e  l o a d  o f  c l a s s- E  p o we r  a m p l ifi e r .   Ac co rd ing  to  [ 2 5 ] ,  V´  ha s a n  a m pli t ude   o f   V om   a nd ph ase   o f   φ =- 32 . 4 0 .   T h e ma xi mu m  po ssi bl e  val u e  o f   V om  i s  1.07 4 V DD =1. 0 7 4 × 1 2 V = 12. 8 8 8 V ,  t h us t h e  vol t a ge   V i   c a n be   d e t e r m in ed by       1 . 74 63  2  (28 )     S u b s tit u tin g  a ll ca lc u l a t e d  mutu al  in du c t an c e s, c o il ’s  sel f - i nd u c tan c es,  co il’ s A C  resis t an ce s,  X , an d   C 5  int o  ( 2 6)   a n d (2 7)  gi ves     ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ 0 0 0 0 0 0 ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ 0.1 8 5  2 0.5 5 8 0.0 3 4 0.00 64 0.00 06 0 . 00 05 5 0.00 05 0.5 5 8 0. 2 0 . 338 8 0 . 038 1 0 . 003 2 0 . 002 8 0 . 002 6 0. 0 3 4 0 . 33 88 0 . 27 246 0. 2 8 9 0 . 01 49 0 . 01 21 0 . 00 98 0.00 64 0.03 81 0.2 8 9 0.17 2 0.4 1 1 0.2 1 0.11 88 0 . 00 06 0 . 00 32 0 . 01 49 0.4 1 1 0.0 7  8.9  2.9 7 2  3.7 9 3 0. 000 55 0 . 00 28 0 . 01 21 0. 2 1  2.9 7 2 0.0 7  8.9  2.9 7 2 0 . 00 05 0 . 00 26 0 . 00 98 0 . 11 88  3.7 9 3  2.9 7 2 0.0 7  8.9 ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤   (29 )         Fi gu re  9.   M o d e l i ng  of  the  fi rs t   WPT  s y st e m   (WP T 1 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t  J Po w El ec   &  Dr i  S y st  IS SN:  208 8-8 6 9 4       D e si gn  a n d   i m pl eme n t a t i on  o f   an   e f f i c i e nt  WPT syst e m  (Ab dulk a ree m  M o ki f   Ob ai s)  7 19  S u bsti t u ti ng  (28 )  i n t o  (29 )  and  det e r m i n i n g  t h e i n ve rse o f  t h e  res u l t e d ma tri x   pro duce   0 . 136  1. 61 ,   0. 8  0. 341 ,   0. 306  1. 1 8 4 ,   0. 0 3 9  0. 13 ,  0. 031  0. 101 ,  an d   0. 0 3 3  0 . 101 .   The  out put  vo l t a g e  V 0 , i nput  po wer  P i , ou tput   po w e r  P 0 ,  a n d  ov er al l l i n k  ef fi ci en cy  η ov e r a l l  are  d e te rm i n e d  by        1.462  0.40 4  (3 0)      1.74 63  (3 1)   | .    .  | .   (3 2)    % 10 0% .  1 00%  (3 3)     Th e ab ov e ove ra ll   li n k   e ffi cie n c y   co rre sp on d s   to   w i r e le ssly  en er g i z i ng a lo a d   c i r c u it lo c a t e d  at   6.61 m fr om t h e p o we r so urc e  ta kin g  i n t o  ac cou n t   st ren g t heni n g   t h e  i n duct i ve   c o u p l i ng   en vi ro nme n t   an d   con d i t i oni n g   t h e  p o w er re cei v i ng   c i rc ui t  fo r  maxi mum  po w e r re ce pt i o n .  If  o n ly  o n e rec e i v in g coi l   i s   use d   a n d   l o cat ed a t  the  sa me di st a n ce  from  t h e  po w e r  s o urc e  wi t hout  usi n g res o n a t o rs   for   stre n g t h e n in g  t h e   i n duct i v e   cou p l i ng, t h en   ac co rdi n g  t o   ( 1 3 ) ,  t h e  e ffi ci e n c y  for  si ngl e   coi l  rece ivi n g   c i rcui t  wi t h o u t   usi n g  res onat o rs   is  c a l c u l at ed  at   R L =1 30 Ω  as  fol l ows:         %  10 0% 0 . 00 42 1%  (3 4)     Th e ov e r a ll  li nk  ef fic i e n cy   o f  th e  pro p o s ed  sy ste m   at  a lo a d   of   1 3 0 Ω  i s  c a lcu l at ed   as     .  10 0% .   10 0% 1 . 01 54%  (3 5)     To s how  t h e  si gni fic a nc e o f  t h e   e ffi ci enc y   e nha nceme n t  pr ocesse d in  thi s   w o r k , w h a t  i s  k n o w n  as   th e  eff i c i en cy   g a i n   G eff  a d o p t e d he re  re fl ect s  t h i s   as  fol l ow s:      .   .   24 1.1 8 4  (3 6)     Ma ny   te ch ni q u es  a r e  e x pl oi t e d i n  t h e  desi gn  of t h e   WP T  tra n smi t t e r  to  ta rget  rel a t i vel y  re mot e   el ec tric al  no de s re qui re d  t o   b e  wi rel e ssl y  en ergiz e d .  T h e   most  effi c i e n t t e c hni que  i s  cl as s-E  po we r  a m p l i f i e r,   whi c h is a  s w i t c h   m o de  po w e r a m pl i f i e r ch a r ac te ri ze d b y   hig h  e f fic i enc y  a n d   hig h   po wer .  T h ere f ore   su c h   ki nd  of  po wer  ampl ifie rs  are   re comme n d e d  t o   be a d opt e d  i n  t h e  de sig n   o f   WP T s y st e m s .  F i g u re  10  sh o w s  t h e  P S p i c e   d e si g n   o f  t h e p r op osed  ef fi ci en t W P T  sy stem.     The  cl ass - E  p o w er am pl i f i e r i n   t h e  pro pose d  syste m   i s  l o a d ed  by a n   R L C   c o mbi n at i o n  c o mpo s ed  o f   a   s e r i e s  RLC  c i r c u i t repr esen te d by  C 1 ,  L 1 ,  a nd  R 1   s h u n t e d by   a  ca pa ci t o r  C SH .  L 1  and   R 1  re pres ent   t h e   inductance  a n d AC resistance of t h e  transmitting coil, respectively.   C 1  is a t unin g  ca paci t o r re so na te s wi t h   L 1   a t  a f r e qu e n cy slig h t ly le ss t h a n   f 0 , whe r ea s   C SH   resonates  with t h e se r i es RLC  ( C 1 ,  L 1 , and  R 1 ) cir c uit at  f 0 .  Usi ng  (2 2) at   a n  ope rat i ng fre que nc y  of  3 3 8 . 6  kHz ,   C 1   i s  c a lcu l at ed   as   4 . 86 31n F .   C SH   is d e ter m in ed  by  [25 ]         .   52 .1     (3 7)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
         I SSN : 2 088 -8 6 94  Int   J  P o w  Ele c   & D r i   S y st, V o l .  1 1 ,  N o .  2, Ju ne  20 2 0   :  71 1  – 72 5   72 0     F i gu re 1 0 .  T h e   P S p i ce de si g n  of t h e  pr opo se d s y ste m .       3.   R E S U LTS  AND D I SCU S S I O N     Th e   prop o s e d  eff i c i e n t  W P T  sy ste m   was  fi rs t  d e sign ed on  PSp ic e, test ed , a nd th en  pra c tic al ly   i m pl eme n t e d,  t hus  i n  t h i s   wo rk, t h ere  a r e  simul a t i v e  res u l t s, w h i c h  are  va li dat e d  b y   e xpe ri me nt al   re sult s.    3.1.  Si mu l a tio n   r e sul t s   Th e M O S F ET tr ig g e r i ng   vo lt ag e   sign a l   V S   i s   a  sq ua re wa v e   vol t a ge ha ving a 3 3 8 . 6 k H z   fre que nc y   and  ±10V  vol t a ge le vel s .   The   DC   cu rre n t   I DC  o f  t h e s y st e m   pow er a m pl i f i e r a n d  the   out p u t   rec e i v e d   vol ta ge   v o  d u ri ng  50 Ω  resi st ance  are  show n   in F i g u re  11 (a ). T h e  DC i n p u t  cu rre n t  is a b o u t  2.5A  a n d t h e  out p u t   re cei ve d AC  vol t a ge  i s  ab o u t  5 . 3 6 V  p e a k  val u e.   The  s y ste m   i n p u t p o we r  i s   I DC V DC , whic h  i s  e q ual   t o   L1 46. 334 uH C1 4 . 8631n F L2 23 . 8 64uH R1 0. 1 8 5 R2 0. 2 CS H 52. 1 n F C2 9. 25 nF 0 0 L3 29. 3uH R3 0. 2724 6 C3 7. 53 45nF 0 L4 22uH R4 0. 172 C4 10 . 0 3446 3nF 0 L5 6. 0745 uH R5 0. 0676 C5 116. 3n F L6 6. 0745 uH R6 0. 0676 L7 6. 0745 uH R7 0. 0676 R8 50 0 LR F C 1m H 0 VD C 12 V V1 TD  =   0 T F  =  1ns P W  =  1 . 47666 86us P E R  =  2. 95 33372 7us V 1  =  -10V TR  =   1 n s V 2  = +1 0 V 0 Rs 5 K K1 C O U P LI N G  =  0. 007 882 K _Li near K K2 C O U P LI N G  =  0. 000 437 K _Li near K K3 C O U P LI N G  =  0. 000 094 K _Li near K K4 C O U P LI N G  =  0 . 0 0001 675 K _ Line ar K K5 C O U P LI N G  =  0. 000 0154 K _Li near K K6 C O U P LI N G  =  0. 000 0129 5 K _Li near K K7 C O U P L I N G  =  0. 006 K _Li near K K8 C O U P L I N G  =  0. 000 781 K _Li near Trans mitting Cir cuit K K9 C O U P L I N G  =  0. 000 1246 K _Li near Second Re sonator Circ uit Firs t Resonator  Circuit K K1 0 C O U P LI N G  =  0. 000 108 K _Li near Re ce ivi ng Ci rcu it T hir d Res ona to r  C irc ui t K K1 1 C O U P LI N G  =  0. 000 1 K _Li near K K1 2 C O U P L I N G  =  0. 005 35 K _Li near K K1 3 C O U P L I N G  =  0. 000 528 K _Li near K K1 4 C O U P LI N G  =  0. 000 427 K _Li near K K1 5 C O U P LI N G  =  0. 000 3448 K _Li near K K1 6 C O U P L I N G  =  0. 016 7 K _Li near K K1 7 C O U P L I N G  =  0. 008 52 K _Li near K K1 8 C O U P LI N G  =  0 . 00482 7 K _ Line ar K K1 9 C O U P L I N G  =  0. 083 633 K _Li near K K2 0 C O U P L I N G  =  0. 083 633 K _Li near K K2 1 C O U P L I N G  =  0. 019 35 K _Li near I I I I I M1 IR FP 2 5 0 M2 I R F P 250 M3 I R F P 250 M4 IR FP 2 5 0 M5 I R F P 250 M6 IR F P 2 5 0 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.