Design and Optimization of a Novel Double-Layer Helmholtz Coil for Wirelessly Powering a Capsule Robot

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作者
Jinyang Gao,Siyu Tian,Changshun Yuan,Ziyu Ma,Chen Gao,Guozheng Yan,Ruiqin Li,Qiulin Tan,Li Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Power Electronics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:39 (1): 1826-1839 被引量:11
标识
DOI:10.1109/tpel.2023.3321845
摘要

Inductively coupled wireless power transfer (IWPT) is promising to power a freely moving capsule robot (CR) continuously. The existing IWPT system for this application normally adopts a single-layer Helmholtz coil (SHC), which can generate a uniform alternating magnetic field (AMF) to cover the CR workspace but leads to low power transfer efficiency (PTE). To improve the PTE, this article proposes a novel double-layer Helmholtz coil (DHC). The DHC is composed of two in-parallel connected SHCs that have identical coil turns and winding directions but different diameters. To design and optimize the DHC, a dedicated analytical model is built and verified. A comparison between the DHC and SHC is also conducted, which shows that the DHC can not only generate a uniform AMF to cover a larger region, but its power consumption is lower when the generated AMF is identical, thus improving the PTE. Finally, the DHC is used to power a 3-D receiving coil, and the achieved PTE is in a range of 7.58%–17.41%, higher than that when using the SHC, which is in a range of 6.74%–14.92%.
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