Conception de produits de recharge sans fil à l'aide de SOLIDWORKS et EMS

Article par Arvind Krishnan mis à jour le 25 avril 2016

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Actuellement, nous connaissons tous le fonctionnement du bluetooth et de l'internet sans fil, et nous les utilisons fréquemment dans notre vie quotidienne ; ils sont largement considérés comme le socle de la communication moderne. De nombreux appareils comme le Roku, l'Apple TV, etc., vous permettent de diffuser des programmes Internet directement sur votre téléviseur grâce à l'Internet sans fil ; et la plupart des appareils de contrôle et de surveillance communiquent également de la même manière.

Communication sans fil du moniteur pour bébé

De nombreux appareils modernes fonctionnent sur le principe de la communication sans fil.

La recharge sans fil des batteries devient également plus courante pour la conception des produits. Vous serez peut-être surpris d'apprendre que le concept n'est pas du tout nouveau et qu'il repose sur le principe de la recharge par induction.

Conception de produits de recharge sans fil

Chargement inductif sans fil

Principe de la charge par induction

Bobines d'induction

Chargement sans fil basé sur le principe de l'induction

Considérons deux bobines séparées par une distance (comme indiqué sur la figure). L'une des bobines est la bobine émettrice, qui transporte un courant alternatif (pour maximiser l'efficacité du transfert de puissance, le courant alternatif est généralement à haute fréquence). La bobine du récepteur n'est pas excitée mais vous remarquerez qu'un courant est induit dans la bobine du récepteur en raison du principe d'induction. Ce courant peut être utilisé pour charger une batterie (par exemple une batterie de téléphone portable). La bobine de l'émetteur est également appelée émetteur de puissance. Ce principe fonctionne lorsque les bobines sont proches l'une de l'autre, mais pour le transfert d'énergie sans fil à longue distance (champ lointain), nous utilisons des antennes. Les bobines d'émission et de réception sont donc remplacées par des antennes d'émission et de réception.

Qu'est-ce qui intéresse les ingénieurs ?

Les ingénieurs qui conçoivent des dispositifs de recharge sans fil en champ proche sont intéressés par :

  • la conception de la bobine qu'ils utiliseront,
  • l'efficacité du transfert d'énergie sans fil,
  • les caractéristiques électriques des bobines (inductance propre, mutuelle et de fuite, coefficient de couplage)
  • et les pertes ohmiques dans la bobine qui entraînent le chauffage des bobines.

EMS for SOLIDWORKS est un progiciel de simulation électro-thermique-mouvement qui aidera les ingénieurs à concevoir et à valider leurs conceptions de charge par induction. Les antennes de transfert d'énergie sans fil à champ lointain sont analysées à l'aide du produit HFWorks.

Configuration du modèle dans SOLIDWORKS

Les détails de la bobine émettrice et de la bobine réceptrice sont indiqués dans le tableau ci-dessous et le fichier d'assemblage SOLIDWORKS est créé sur la base des dimensions indiquées ci-dessous. La distance entre la bobine de l'émetteur et celle du récepteur est d'environ 3 mm.

Type de bobineFil métalliqueDia (sortie)Dia (intérieur)Nombre de toursNombre de couches
Bobine de l'émetteurBobine circulaire planaireAWG 1842,61 mm20,81 mm10Simple
Bobine réceptriceBobine en spirale planaireAWG 1519 mm6 mm5Simple

 

conception de produits de recharge sans fil

Modèle SOLIDWORKS de la bobine de l'émetteur et du récepteur

Objectifs de la simulation

Grâce à l'EMS, nous souhaitons obtenir les informations suivantes pour la conception de notre produit de recharge sans fil :

  1. Inductance des bobines, coefficient de couplage entre les bobines,
  2. Pertes ohmiques dans la bobine,
  3. Tension induite dans la bobine réceptrice,
  4. et enfin le champ magnétique généré par les bobines.

Pour calculer le coefficient de couplage en fonction de la distance entre les bobines, une étude paramétrique dans EMS calculera automatiquement toutes les quantités ci-dessus pour différentes positions des bobines.

Résultats des simulations

Inductance

Le tableau ci-dessous indique l'inductance propre, mutuelle et de fuite telle que calculée par EMS.

Inductance propre (mH)Inductance mutuelle (mH)Inductance de fuite (mH)
Bobine émettrice3,38 mH0,21 mH2,65 mH
Bobine de réception0,27 mH0,21 mH0,212 mH

Coefficient de couplage et efficacité du dispositif de charge

Le coefficient de couplage est de 0,22 (proche de 22%). Cela signifie que 22% du flux généré par la bobine émettrice va couper la bobine réceptrice. L'efficacité du dispositif est essentiellement le rapport entre l'énergie collectée et l'énergie d'entrée. Pour cette configuration, l'efficacité est d'environ 73,5 %. Si la distance entre les bobines augmente, le rendement diminue. L'efficacité varie également avec la fréquence du signal d'entrée. Le logiciel EMS associé à SOLIDWORKS aidera donc à prédire la distance et la quantité d'excitation correctes dans la bobine émettrice afin de garantir un transfert d'énergie maximal.

Puissance et efficacité

Puissance d'entrée (mW)Puissance de sortie (mW)Tension induite (mV)
Bobine émettrice3,8 mW
Bobine de réception2,78 mW82 mV

Tracés 3D

Les figures ci-dessous montrent des tracés de l'induction magnétique et de la densité de courant. EMS peut vous aider à visualiser les résultats de la conception de produits de recharge sans fil dans votre géométrie et vous permet de bien comprendre ce qui se passe.

EMS pour SOLIDWORKS

EMS for SOLIDWORKS est le premier et le seul logiciel entièrement intégré et certifié Gold Certified pour SOLIDWORKS qui aide les utilisateurs de SOLIDWORKS à étudier leurs conceptions magnétiques, électriques et électromagnétiques de manière transparente. Il peut utiliser la géométrie créée à l'aide de SOLIDWORKS directement pour la simulation. Son interface utilisateur émule SOLIDWORKS et il n'y a donc aucune courbe d'apprentissage associée au logiciel EMS pour les utilisateurs de SOLIDWORKS.

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Arvind Krishnan

Arvind Krishnan est le directeur de la gestion des produits chez EMWorks. Il utilise SOLIDWORKS et les outils d'IAO depuis 15 ans et s'intéresse aux technologies basées sur le magnétisme.