磁耦合谐振无线能量传输是一种利用磁耦合谐振实现中距离的电能无线传输的新技术，具有很好的应用前景。本研究设计了一种用印制板直接制作的小尺寸平面螺旋谐振线圈，该线圈正反两面覆铜，正面导体层形成的电感与正反面导体层重叠部分形成的电容通过复杂串并联电路构成系统所需要的谐振器进行能量传递，尺寸仅为1.35cm3。通过建立人体头部三维数值模型以及体内植入线圈模型，应用时域有限差分法计算头部比吸收率及电场磁场强度。结果表明应用该技术对头部植入器件进行能量传输，人体头部I0gSAR平均值为9.2627×10-6W/kg，电场磁场强度均方根最大值分别为4.64V/m和0.057A/m，均低于国际安全限值标准。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种小尺寸谐振器以及磁耦合谐振无线能量传输系统。
技术介绍
随着科学技术的发展，各种功能的植入电子医疗产品不断进入人们的生活中，它们在疾病的诊断、治疗、肢体矫正、康复等方面发挥着巨大的作用，为患者带去生活上的方便甚至延续着患者的生命。电源技术是植入电子器件的诸多技术中最关键的技术之一。尽管植入电子器件存在着多种可能的供电方式，目前各类生物体内装置普遍采用电池供电的电源模式，虽然电池容量在不断增大，但由于其没有实时能量补给功能始终存在电量耗尽的窘境。电能无线传输一直是人类的梦想，多年来国内外一些科学家执着地开展着这项研究，但进展甚微。 2007年MIT的科学家在电能无线传输原理上有了突破性进展，他们利用电磁耦合谐振原理实现了中距离的电能无线传输，在2m多距离内将一个60W的灯泡点亮，且传输效率达到 40%左右，这种方法被称作Witricity技术。该技术与其他技术相比具有以下优点(I)可以定向的传输能量，只有当谐振线圈存在时才能接收能量。由于生物组织的固有谐振频率一般非常低，对能量的传输几乎没有影响，所以该技术对于人体来说是安全的。(2)可以进行中距离的无线能量传输，传统的方法一旦传输距离有所增大传输效率便会急剧下降。(3) 具有很强的适应性，在能量传输的过程中不受中间障碍的影响，即在视线达不到的地方依然能够有效地传输能量。由以上可知Witricity技术在给植入性电子医学器件进行无线能量传输方面具有很大的优越性。近年来，随着微电子技术的飞速发展，植入式医疗器械正朝着小型化和集成化方向发展。传统的植入式医疗器械经皮能量传输的磁耦合电感线圈多采用机器或人工缠绕，重复性差，电感量控制困难，而且带磁芯的线圈体积较大，不利于系统的微型化。现阶段Witricity无线传能技术还处于起步阶段,相关理论和实验研究还比较欠缺，尤其是针对体内植入器件的Witricity无线传能，几乎没有相关文献。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，基于磁耦合谐振无线传能原理设计了小型磁耦合谐振系统，即提供一种小尺寸谐振器以及磁耦合谐振无线能量传输系统，小尺寸谐振器尺寸仅为1.35cm3。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是采用印制板直接制作一种设适用于植入器件的小尺寸平面螺旋谐振线圈，该线圈正反两面覆铜，使得谐振器在体积减小的情况下谐振频率不会变的很高，能够很好的与系统谐振频率匹配，此外应用时域有限差分方法，对该植入线圈对人体头部电磁辐射的影响进行分析，验证该方法应用于体内植入器件的安全性。磁耦合谐振无线能量传输系统由四个主要部分组成高频正弦信号发生和功率放大电路、激励线圈和谐振初级线圈(线圈I)、谐振次级线圈(线圈2)和能量汲取线圈以及3整流滤波充电电路。如果将谐振初次级线圈直接与电路连接，则Witricity系统的谐振频率会受到很大干扰，因此加入激励线圈和能量汲取线圈，其中激励线圈与功率放大电路相连接，能量汲取线圈与负载相连。激励线圈和能量汲取线圈由线径Imm的铜线缠绕成3匝直径为5cm的螺旋线圈，与谐振初次级线圈通过感应耦合传能。整个系统的核心还是两个谐振线圈，谐振初级线圈和谐振次级线圈组成了一个完整的谐振器，从而实现两个线圈之间的能量传输。当两个线圈产生强烈的磁耦合谐振时，才能在较远的距离下有效地传递能量，在系统仿真时将激励线圈和能量汲取线圈忽略。系统采用方形平面螺旋谐振线圈，谐振线圈由三层组成，正面导体层由方形螺旋铜片组成，介质层为聚乙烯板，反面导体层由长方形铜片组成。正面导体层形成的电感与正反面导体层重叠部分形成的电容通过复杂的串并联电路构成系统所需要的谐振器，进行能量传递。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中图I是本专利技术的磁耦合谐振无线能量传输系统结构图2是本专利技术的小尺寸谐振器(左)及实验装置(右)；图3是本专利技术的谐振器参数；图4(a)是本专利技术的输出功率与效率随距离变化图4(b)是本专利技术的输出功率与效率随水平位移变化图4(c)是本专利技术的输出功率与效率随旋转角度变化图5是本专利技术的三维头模型(左)及分辨率为2. 03mm的三维头部数值模型(右)；图6是本专利技术时间步长和空间步长的稳定性的稳定条件；图7是本专利技术的头模型中YZ平面SAR值分布情况图8是本专利技术的YZ平面IOgSAR分布；图9是本专利技术的两种情况下SAR值在X方向分布。具体实施方式磁耦合谐振无线能量传输系统的结构如图I所示，整个无线能量传输系统由四个主要部分组成高频正弦信号发生和功率放大电路、激励线圈和谐振初级线圈(线圈I)、谐振次级线圈(线圈2)和能量汲取线圈以及整流滤波充电电路。如果将谐振初次级线圈直接与电路连接，则Witricity系统的谐振频率会受到很大干扰，因此加入激励线圈和能量汲取线圈，其中激励线圈与功率放大电路相连接，能量汲取线圈与负载相连。激励线圈和能量汲取线圈由线径Imm的铜线缠绕成3匝直径为5cm的螺旋线圈，与谐振初次级线圈通过感应耦合传能。整个系统的核心还是两个谐振线圈，谐振初级线圈和谐振次级线圈组成了一个完整的谐振器，从而实现两个线圈之间的能量传输。当两个线圈产生强烈的磁耦合谐振时，才能在较远的距离下有效地传递能量，在系统仿真时将激励线圈和能量汲取线圈忽略。系统采用方形平面螺旋谐振线圈，如图2所示，谐振线圈由三层组成，正面导体层由方形螺旋铜片组成，介质层为聚乙烯板，反面导体层由长方形铜片组成。正面导体层形成的电感与正反面导体层重叠部分形成的电容通过复杂的串并联电路构成系统所需要的谐振器，进行能量传递。谐振线圈具体参数如图3所示，线圈边长5cm，厚度O. 054cm，线圈体积为1. 35cm3,自谐振频率为11MHz。功率放大电路产生的信号输出电压范围为O 25V，频率范围为I 28MHz，输出端接一个3W灯泡。因为整个系统最终要应用于人体内部，所以模拟人体体液环境很重要。能量在模拟人体体液环境中的衰减因子均小于空气中的衰减因子，也就是说能量在模拟人体体液中的衰减小于空气中，但传输变化规律基本一致。为了简化实验，我们通过改变空气中初次级谐振器之间的距离(I IOcm)，测量输入输出端电压和电流，对谐振次级线圈的输出功率及效率进行计算。从图4(a)可知在两谐振器相距Icm时最大输出效率达到76%，当两谐振器距离为10cm，也就是谐振器边长的2倍时，效率降至1.1%，输出功率为98mW，这也可以为头部植入器件提供足够的能量。当激励线圈的输入电压继续增大时，输出电压也会相应的增加。当两谐振器存在一定水平位移或旋转角度时，磁耦合谐振无线能量传输系统也能很好的工作，相应的输出功率和效率如图4(b)和4(c)所示(两线圈垂直距离为2cm)。这一结果表明，该系统可以很好地应用于小尺寸电设备，特别是体内植入器件，这也为下一步仿真模型的建立提供了可靠依据。在外电磁场作用下，人体内将产生感应电磁场。人体内的电磁场将产生电流,导致人体吸收和耗散电磁能量，使人体局部组织温度升高。人们在研究电磁辐射的生物效应时， 确定进入人体组织区域内的电磁的大小和分布情况是非常重要的，通常使用比吸收率来表征人体组织吸收电磁能的大小。比吸收率的定义为单位质量的生物组织吸收的电磁功率，单位是W/kg。本研究主要计算人体主要组织平均比吸收率S本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种小型磁耦合谐振无线能量传输系统，其特征在于，包括：高频正弦信号发生和功率放大电路、激励线圈和小尺寸谐振初级线圈、小尺寸谐振次级线圈和能量汲取线圈以及整流滤波充电电路，其中激励线圈与功率放大电路相连接，能量汲取线圈与负载相连，当谐振初级线圈和谐振次级线圈之间产生强烈的磁耦合谐振时，能在较远的距离下有效地传递能量。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：徐桂芝，赵军，李烜，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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