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体内植入器件的Witricity系统设计与实验研究

作　者: 赵军
导　师: 徐桂芝
学　校: 河北工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 磁耦合谐振耦合模理论体内植入器件比吸收率
分类号: TM724
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

作为一个新方法，磁耦合谐振无线能量传输技术受到了国内外研究学者的广泛关注，但是还有很多问题尚未解决，特别是在对体内植入器件进行无线能量传输方面，关注的学者和研究机构相对较少，需要解决的问题还很多。本文主要针对应用于体内植入器件的小型磁耦合谐振无线能量传输系统进行研究，首先利用耦合模理论研究了磁耦合无线能量传输系统的传输规律及最佳工作条件，然后对系统进行建模分析，在仿真分析的基础上设计出适用于体内植入器件的小尺寸谐振器。最后，将小尺寸谐振系统放置于不同的实验环境中进行实验研究，并应用时域有限差分方法计算系统工作时人体的比吸收率，依此判断该方法对体内器件供电的安全性。本文主要研究工作有以下几个方面：1、应用耦合模理论，计算线圈中能量并研究两个线圈在强耦合和弱耦合状态下的能量传输效率、线圈固有频率的改变对能量传输状态的影响以及谐振频率对线圈品质因数的影响，最后研究扰动对工作效率以及损耗效率的影响。2、建立立方体螺旋谐振器及平面螺旋谐振器仿真计算模型，通过改变谐振器各参数，确定各参数对谐振器谐振频率的影响。仿真结果表明线圈线径和介质厚度对线圈谐振频率影响最大，传输效率在谐振点达到最大。在仿真基础上，设计了适用于体内植入器件的小尺寸谐振器，谐振器体积1.35cm3。3、建立了人体头部及胸腔数值仿真模型，对Witricity系统给体内植入器件进行供电时人体头部及胸腔的SAR值进行计算。通过计算得出，应用Witricity系统对体内植入器件进行供电时，人体头部及胸腔的SAR值均低于国际限值标准。4、对立方体螺旋谐振器、平面螺旋谐振器及小尺寸平面螺旋谐振器分别进行了实验分析，通过改变系统两谐振器之间的垂直距离、水平位移以及旋转角度，计算系统传输功率及效率。此外，将系统置于空气、模拟人体组织液及新鲜猪肉这三种不同环境下，进行能量传递，计算系统在不同环境下的传输功率及效率。实验结果表明模拟人体组织液和新鲜猪肉对系统的传输效率影响很小。最后对整流滤波稳压电路进行实验，得到了充电模块所需的电压，验证了整流滤波稳压部分的正确性。本文对磁耦合谐振无线能量传输的传输机理、传输条件进行了研究，还在仿真研究基础上设计出适用于体内植入器件的小型磁耦合谐振无线能量传输系统，并计算了系统工作时对人体的生物安全性，这在国内尚属首次，这也为无线能量传输技术在医学领域发展奠定了基础。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-24
  1.1 课题研究背景  10-13
  1.2 国内外研究现状  13-22
    1.2.1 国外研究现状  13-18
    1.2.2 国内研究现状  18-22
  1.3 论文主要研究目的、意义及研究内容  22-24
第二章磁耦合谐振无线能量传输状态分析  24-40
  2.1 磁耦合谐振无线能量传输系统总体结构  24-25
  2.2 磁耦合谐振系统电能传输特性  25-33
    2.2.1 耦合模理论  25-27
    2.2.2 两谐振线圈固有频率相同时能量传输特性  27-30
    2.2.3 两线圈固有频率不相同时能量传输特性  30-33
  2.3 存在干扰时的磁耦合谐振系统电能传输特性  33-38
    2.3.1 耦合强度  33-34
    2.3.2 工作效率  34-36
    2.3.3 辐射损耗效率和吸收损耗效率  36-38
  2.4 本章小结  38-40
第三章磁耦合谐振系统仿真分析  40-57
  3.1 立方体螺旋谐振器仿真分析  40-49
    3.1.1 立方体螺旋谐振器模型建立  42-45
    3.1.2 谐振器各参数对谐振器谐振频率的影响  45-49
  3.2 平面螺旋谐振器仿真分析  49-52
  3.3 磁耦合谐振系统与电磁感应传能系统电场强度对比  52-54
  3.4 小尺寸谐振器的设计  54-55
  3.5 本章小结  55-57
第四章磁耦合谐振无线能量传输系统对人体电磁辐射的影响  57-74
  4.1 生物电磁计量学  57-61
  4.2 时域有限差分法  61-67
    4.2.1 时域有限差分法数学方程  61-65
    4.2.2 数值稳定性  65-66
    4.2.3 边界条件  66-67
    4.2.4 网格优化  67
  4.3 人体头部 SAR 分布及电磁场强度计算  67-71
    4.3.1 头模型和线圈模型建立  67-68
    4.3.2 初始条件的设定  68-69
    4.3.3 不同部位 SAR 分布及电磁场强度  69-71
  4.4 人体胸腔 SAR 分布  71-73
  4.5 本章小结  73-74
第五章整流滤波充电电路设计  74-82
  5.1 整流滤波充电电路设计  74-80
    5.1.1 核心器件的选择  74-75
    5.1.2 整流滤波及稳压电路  75-77
    5.1.3 充电电路设计  77-80
  5.2 信息传输部分设计  80-81
    5.2.1 主控芯片的选择  80
    5.2.2 温度检测与通信模块的设计  80-81
  5.3 本章小结  81-82
第六章实验研究与结果  82-99
  6.1 功率放大器设计  82-83
  6.2 立方体螺旋谐振器实验分析  83-86
  6.3 平面螺旋谐振器实验分析  86-90
  6.4 小尺寸谐振器的设计与实验研究  90-91
  6.5 三种不同环境下实验分析  91-94
    6.5.1 空气中的系统效率分析  92
    6.5.2 在模拟人体组织液和新鲜猪肉中系统效率分析  92-93
    6.5.3 三种不同环境下 Witricity 系统效率对比  93-94
  6.6 整流滤波充电电路部分实验  94-96
    6.6.1 整流滤波部分实验  94-95
    6.6.2 稳压充电模块实验  95
    6.6.3 充电电路部分实验  95-96
  6.7 信息传输部分实验  96-97
  6.8 本章小结  97-99
第七章结论  99-102
  7.1 论文工作总结  99-100
  7.2 本文主要创新点  100-101
  7.3 需要进一步研究的内容  101-102
参考文献  102-108
攻读学位期间所取得的相关科研成果  108-110
致谢  110

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