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Publicação
Sensitivity analysis and design of dynamic wireless power transfer coil geometries for two-wheeled electric vehicles under misalignments
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Autores
Resumo(s)
This work investigates the geometric design and optimisation of a dynamic inductive power transfer coupler for two-wheeled electric vehicles, under misalignment and magnetic-field exposure constraints. Acomputational three-dimensional finite-element model of a shielded rectangular coupler is developed in Ansys Maxwell, an electromagnetic finite-element solver, to characterise coupling coefficients and magnetic flux density levels on control planes along the longitudinal travel range and under lateral and angular misalignments. Two simulation datasets are generated: one varying only geometric parameters at a nominal position for surrogate construction and global sensitivity analysis, and a second jointly sampling geometry, the travel range and misalignments for optimisation. Sparse Polynomial Chaos Expansions and Canonical Low- Rank Approximations surrogates are built to quantify Sobol’ indices, revealing that a small subset of primary-side geometric variables dominates both coupling efficiency and magnetic field levels. Random Forest Regressors are then trained on the extended dataset and embedded in a Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II to solve a multi-objective optimisation problem that maximises worst-case coupling, improves robustness to misalignment, and enforces magnetic-field leakage limits on all control planes. Optimal designs from the Pareto fronts were obtained, and a subset was selected for re-evaluation using the finite-element method. The results confirm that the proposed surrogate-assisted framework yields coupler geometries with enhanced dynamic coupling and reduced magnetic field leakage, while respecting the mechanical constraints for the electric motorcycle system.
Este trabalho investiga o projeto geométrico e a otimização de um acoplador de transferência indutiva dinâmica de potência para veículos elétricos de duas rodas, sob restrições de desalinhamento e exposição a campos magnéticos. Ummodelo computacional tridimensional de elementos finitos de um acoplador retangular com blindagem é concebido no Ansys Maxwell, um simulador eletromagnético de elementos finitos, para caracterizar os coeficientes de acoplamento e os níveis de densidade de fluxo magnético em planos de controlo ao longo do percurso longitudinal e sob desalinhamentos laterais e angulares. São gerados dois conjuntos de dados a partir da simulação: um variando apenas os parâmetros geométricos numa posição nominal para construção de modelos substitutos e análise de sensibilidade global, e um segundo amostrando conjuntamente a geometria, o percurso e os desalinhamentos para otimização. São construídos modelos substitutos Sparse Polynomial Chaos Expansions e Canonical Low-Rank Approximations para quantificar os índices de Sobol’, revelando-se que um reduzido subconjunto de variáveis geométricas do lado primário domina tanto o desempenho do acoplamento quanto os níveis de campo magnético. Em seguida, são treinados os regressores Random Forest no conjunto de dados estendido e incorporados num Nondominated Sorting Genetic Algorithm II para resolver um problema de otimização multiobjectivo que maximiza o acoplamento no pior caso, melhora a robustez ao desalinhamento e impõe limites de fuga de campo magnético em todos os planos de controlo. Foram obtidas geometrias otimizadas a partir das frentes de Pareto, e um subconjunto foi selecionado para reavaliação com recurso ao método dos elementos finitos. Os resultados confirmam que a abordagem proposta, assistida por modelo substituto, produz geometrias do acoplador com melhor acoplamento dinâmico e menor fuga de campo magnético, respeitando as restrições de integração mecânica no sistema do motociclo elétrico.
Este trabalho investiga o projeto geométrico e a otimização de um acoplador de transferência indutiva dinâmica de potência para veículos elétricos de duas rodas, sob restrições de desalinhamento e exposição a campos magnéticos. Ummodelo computacional tridimensional de elementos finitos de um acoplador retangular com blindagem é concebido no Ansys Maxwell, um simulador eletromagnético de elementos finitos, para caracterizar os coeficientes de acoplamento e os níveis de densidade de fluxo magnético em planos de controlo ao longo do percurso longitudinal e sob desalinhamentos laterais e angulares. São gerados dois conjuntos de dados a partir da simulação: um variando apenas os parâmetros geométricos numa posição nominal para construção de modelos substitutos e análise de sensibilidade global, e um segundo amostrando conjuntamente a geometria, o percurso e os desalinhamentos para otimização. São construídos modelos substitutos Sparse Polynomial Chaos Expansions e Canonical Low-Rank Approximations para quantificar os índices de Sobol’, revelando-se que um reduzido subconjunto de variáveis geométricas do lado primário domina tanto o desempenho do acoplamento quanto os níveis de campo magnético. Em seguida, são treinados os regressores Random Forest no conjunto de dados estendido e incorporados num Nondominated Sorting Genetic Algorithm II para resolver um problema de otimização multiobjectivo que maximiza o acoplamento no pior caso, melhora a robustez ao desalinhamento e impõe limites de fuga de campo magnético em todos os planos de controlo. Foram obtidas geometrias otimizadas a partir das frentes de Pareto, e um subconjunto foi selecionado para reavaliação com recurso ao método dos elementos finitos. Os resultados confirmam que a abordagem proposta, assistida por modelo substituto, produz geometrias do acoplador com melhor acoplamento dinâmico e menor fuga de campo magnético, respeitando as restrições de integração mecânica no sistema do motociclo elétrico.
Descrição
Palavras-chave
Análise de sensibilidade global Exposição a campos magnéticos Modelos substitutos Otimização multi-objetivo Transferência dinâmica indutiva de potência. Dynamic inductive power transfer Global sensitivity analysis Magnetic field exposure Multi-objective optimisation