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基于生物安全性的无线能量传输系统发射线圈优化设计

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高技术通讯 2012年第8期22卷 857-862页

作者：贾智伟颜国正石煜朱柄全上海交通大学电子信息与电气工程学院820所上海200240 长沙理工大学电气与信息工程学院长沙410077

针对为胶囊内窥镜供能的无线能量传输技术在应用过程中对人体组织可能造成伤害的问题，进行了无线能量传输系统发射线圈优化设计研究。分析了人体组织安全性与无线能量传输系统发射线圈之间的关系，提出用磁场均匀度、频率稳定度等指标... 详细信息

针对为胶囊内窥镜供能的无线能量传输技术在应用过程中对人体组织可能造成伤害的问题，进行了无线能量传输系统发射线圈优化设计研究。分析了人体组织安全性与无线能量传输系统发射线圈之间的关系，提出用磁场均匀度、频率稳定度等指标来评价发射线圈性能，并建立了以能量传输效率为目标函数、以人体安全性和能量需求为约束条件的最优化模型。该模型可用来全面评价发射线圈性能，从而为发射线圈的设计提供依据。采用上述方法对4种类型的发射线圈进行了评价，评价结果证明了该方法的可行性。

关键词：无线能量传输系统人体组织安全性磁场均匀度频率稳定度

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无线能量传输系统移相控制ZVS设计研究

电力电子技术 2019年第5期53卷 97-100页

作者：张玉旺王丽芳郭彦杰中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室中国科学院电工研究所北京100190 中国科学院大学北京100190

由于滞后管的非零电压开关,采用全桥逆变器的无线能量传输系统在移相控制时会存在超前管误触发的问题。针对此情况,提出了一种基于LCC补偿电路的优化方法。首先,建立了无线能量传输系统模型;然后,根据该模型对系统在移相时实现零电压开... 详细信息

由于滞后管的非零电压开关,采用全桥逆变器的无线能量传输系统在移相控制时会存在超前管误触发的问题。针对此情况,提出了一种基于LCC补偿电路的优化方法。首先,建立了无线能量传输系统模型;然后,根据该模型对系统在移相时实现零电压开关(ZVS)的补偿电路参数条件进行了推导;最后,利用仿真以及无线能量传输系统实验平台对优化前后系统的输出功率、传输效率等参数进行了分析,并对提出的优化方法进行验证。实验结果证明该方法能够实现无线能量传输系统滞后管的ZVS,有效提高了系统在移相时的整体效率,并且不影响其输出和传输性能。

关键词：无线能量传输系统移相控制零电压开关

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磁耦合谐振式无线能量传输系统负载特性研究

电力电子技术 2015年第2期49卷 90-92页

作者：张智娟梁雪梅崔水香华北电力大学电气与电子工程学院河北保定071003

介绍了磁耦合谐振式无线能量传输系统工作原理,通过分析原理及实验条件约束选择初级串联拓扑结构,并对次级串联和并联拓扑结构进行了理论分析,探究负载阻抗对接收功率和传输距离的影响。设计并实现了一种磁耦合谐振式无线能量传输系统,... 详细信息

介绍了磁耦合谐振式无线能量传输系统工作原理,通过分析原理及实验条件约束选择初级串联拓扑结构,并对次级串联和并联拓扑结构进行了理论分析,探究负载阻抗对接收功率和传输距离的影响。设计并实现了一种磁耦合谐振式无线能量传输系统,通过实验验证了理论分析的有效性,并对实验结果进行了综合分析。

关键词：磁耦合谐振无线能量传输系统负载阻抗

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基于无线能量传输系统的电磁兼容性研究

基于无线能量传输系统的电磁兼容性研究

作者：郑伟湖北工业大学

学位级别：硕士

近年来，随着电力电子技术的迅猛发展，电子产品对电源的性能有越来越高的要求。普通电源供电必须通过电源线、信号线等导线连接才能完成，这种供电方式无法摆脱导线的束缚，会存在导线接触、摩擦等产生放电的危险，而且使用起来也极不... 详细信息

近年来，随着电力电子技术的迅猛发展，电子产品对电源的性能有越来越高的要求。普通电源供电必须通过电源线、信号线等导线连接才能完成，这种供电方式无法摆脱导线的束缚，会存在导线接触、摩擦等产生放电的危险，而且使用起来也极不方便。而无线能量传输技术作为一种新型的供电技术，以非接触方式从固定电网获取能量并传输给用电设备。它综合运用电力电子技术、电磁感应耦合技术、高频变换技术等高新技术，相比传统的供电方式，不仅安全性好、效率高，而且方便快捷，因此引起了人们越来越多的关注。另外，随着数字控制电路的普及和发展，电力电子装置也逐渐趋向小型化、高频化以及大容量等，其电磁环境也越来越复杂，随之而来的电磁干扰也日益严重。电子设备工作时产生的电磁干扰以及辐射、泄露的电磁波都会对其它电子设备的正常工作产生影响，如性能降低、功能紊乱、误动作等。因此，对于电磁兼容(Electromagnetic Compatibility，EMC)问题也必须予以高度的重视。本课题研究的磁耦合谐振式无线能量传输技术，与非接触感应式充电技术以及电磁波式无线能量传输技术相比，具有传输距离远、效率高、定向性好且无辐射等特点,但其同样也存在着电磁干扰问题。本文以无线能量传输系统为研究对象，以该系统主要模块电路为研究内容，分析其产生的电磁干扰及抑制方法。通过理论分析、模型建立与仿真计算相结合的方法，对驱动控制模块、高频逆变模块以及整流滤波模块进行研究。首先，概括了供电技术的发展历程和无线能量传输的特点及其伴随的EMC问题，明确了本文研究的意义。其次，阐述了磁耦合谐振式无线能量传输机理及频率特性，以及电磁兼容标准和要求。然后，详细分析了无线能量传输系统的模块电路及电磁干扰。最后，针对无线能量传输的特点，运用电磁兼容理论，重点阐述了驱动控制电路和高频逆变电路的设计，并通过仿真分析、计算，从理论上证明了设计的可行性，较好的解决了无线能量传输过程中的电磁干扰问题，对无线能量传输系统的研究及电磁干扰的抑制有一定的指导作用。

关键词：无线能量传输系统电磁兼容电磁干扰谐波

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微型可植入式无线能量传输系统

微型可植入式无线能量传输系统

作者：李冰北京交通大学

学位级别：硕士

在过去十年来,可植入式电子设备发展迅速,但在供电、体积和生物兼容性等方面仍然存在问题,无线能量传输技术在解决上述问题中具有明显优势。与传统的电感耦合式系统相比,磁谐振式无线能量传输系统在能量传输效率与相对位置参数方面有更... 详细信息

在过去十年来,可植入式电子设备发展迅速,但在供电、体积和生物兼容性等方面仍然存在问题,无线能量传输技术在解决上述问题中具有明显优势。与传统的电感耦合式系统相比,磁谐振式无线能量传输系统在能量传输效率与相对位置参数方面有更大的优势,并可实现近全方位的高效能量传输,具有低损耗、不受周围环境因素影响等特点。本文采用两种方式设计了柔性立体双电感线圈,第一种是采用聚酰亚胺封装材料设计柔性PCB (Printed Circuit Board)双电感交叠线圈。依据理论分析以及阻抗分析仪测试得到谐振子的有效电感、有效交流电阻、电容和品质因数,分析了线圈的股数和匝数对线圈性能的影响。并利用网络分析仪测试四线圈传输的S参数,计算传输效率。第二种是采用生物兼容性优异的聚对二甲苯材料设计不同参数的柔性双电感交叠线圈,详细设计了谐振子制作的集成工艺流程,并采用新薄膜材料实现了谐振子的双面pad结构。并对初步的流片实验结果进行了分析。最后,设计发射端的E类功率放大电路,输入端加入反相器驱动电路,接收端采用整流稳压电路,提供稳压输出。本论文研究了微型可植入电子设备的磁谐振式无线能量传输技术,运用两种方式设计了柔性立体双电感谐振子,测量了相关数据。采用两个内径为6mm的相同设计参数的柔性PCB立体双电感线圈搭建无线能量传输系统。在特定条件下且工作频率为13.56MHz时,测试系统的传输效率最大值达到21.24%,输出端电压达到1.477V。实现了小体积并且供电性能良好的无线能量传输,对微型可植入电子设备的发展具有重要意义。

关键词：立体双电感工艺流程传输效率磁谐振无线能量传输系统

基于柔性立体谐振子的植入式磁共振无线能量传输系统

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基于柔性立体谐振子的植入式磁共振无线能量传输系统

作者：徐冬冬北京交通大学

学位级别：硕士

随着生物医疗和微电子技术的飞速发展,植入式医疗逐渐成为辅助治疗和健康监测的重要手段。植入式医疗器件能够有效地获取人体的各项生理信号和进行植入式定点治疗,从而有助于制定更加合理高效的治疗康复方案。然而这些植入式医疗器件的... 详细信息

随着生物医疗和微电子技术的飞速发展,植入式医疗逐渐成为辅助治疗和健康监测的重要手段。植入式医疗器件能够有效地获取人体的各项生理信号和进行植入式定点治疗,从而有助于制定更加合理高效的治疗康复方案。然而这些植入式医疗器件的供电一直是限制其发展的重要因素,传统的电池供电有诸多弊端如体积庞大、需要定期更换、生物兼容性差和安全性等问题。无线能量传输能够有效地解决上述问题。相比于电感耦合型,基于磁谐振的无线能量传输系统,具有更高的传输效率以及抗干扰能力。针对植入式医疗器件的无线供电,本文设计并实现了一种基于柔性立体双线圈的磁共振无线能量传输系统。首先建立了基于双线圈的磁耦合谐振电路模型,分析得到了提高谐振线圈的电感值和品质因数能够有效地改善能量传输系统的传输效率和性能。利用高频电磁仿真软件HFSS建立线圈参数化模型,分别对线圈的匝数、半径、导线间距以及线宽进行仿真优化,分析了这些结构参数对线圈电感值和品质因数的影响,并且得到了最优化的线圈结构参数。为了保证输入信号的最大功率传输,设计了前级耦合谐振模型的阻抗匹配,并在HFSS中建立和仿真阻抗匹配之后的谐振电路以及耦合谐振模型,在谐振频率点13.56MHz处,S11达到-30dB,实现了良好的阻抗匹配。分别设计了接收端的信号处理模块,在Multisim中对整流、滤波、稳压模块进行设计并仿真。在此基础上搭建上述模块的实际电路,并测试验证其功能。最终,利用两个半径为10mm的柔性立体线圈搭建了前级耦合谐振回路,接收端的全波整流和低通滤波以及稳压模块提供稳定电压输出,搭建并测试无线能量传输系统。测试结果表明:当传输距离为2mm,负载为1OOOΩΩ,输入信号频率为13.56MHz,输入功率为200mW时,输出负载端电压为8.35 V,输出功率为70mW,系统的最大传输效率为35%。

关键词：无线能量传输系统品质因数传输效率结构参数优化阻抗匹配

植入式医疗设备磁谐振式无线能量传输系统的研究

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植入式医疗设备磁谐振式无线能量传输系统的研究

作者：闫多超天津工业大学

学位级别：硕士

磁谐振耦合式无线电能传输技术是一种通过线圈间谐振耦合进行能量传输的无线传输技术,在植入式医疗设备中的应用,为生物医学设备能量供给的发展和技术研究带来了重要变革。随着植入式医疗设备越来越广泛的应用,对植入深度和集成功能的... 详细信息

磁谐振耦合式无线电能传输技术是一种通过线圈间谐振耦合进行能量传输的无线传输技术,在植入式医疗设备中的应用,为生物医学设备能量供给的发展和技术研究带来了重要变革。随着植入式医疗设备越来越广泛的应用,对植入深度和集成功能的要求越来越高,使得植入式设备的体积更小、无线能量供给要求更高。在经皮能量传输情况下,人体皮肤和其它组织对传输的能量产生损耗,降低能量传输的效率和传输距离。为了使植入式医疗设备有更高的传输效率和更灵活的电源配给,本文在分析无线能量传输系统模型的基础上,对无线能量传输系统在植入式医疗设备中的应用进行设计,改进了线圈结构和功率接收电路。本文通过对两线圈和四线圈磁谐振耦合式无线能量传输系统进行等效电路理论分析,推导出能量传输效率的主要影响因子为由谐振线圈的规格所决定的线圈品质因数和线圈间相互作用所决定的耦合系数。通过对能量传输线圈结构的分析和实验结果对比,采用四线圈结构,通过调整各线圈回路的补偿电容使传输系统工作在磁谐振耦合状态下,能增大谐振线圈电路间的耦合系数,并隔离发射电路和接收电路对能量传输的干扰和影响。为了降低接收电路的接收电压降和更便于管理体内功能模块的电源供给,通过倍压电路作为接收整流器以降低电压降和提升电压基准。本文通过仿真软件建立不同的线圈结构模型和不同状态的经皮无线能量传输模型,对相关影响因素进行分析。仿真和实验结果验证了在微小功率接收线圈应用中,磁谐振式系统提升了经皮能量传输的效率和传输距离,倍压整流电路能稳定输出纹波较小的电压,满足体内各功能模块的应用需求。

关键词：无线能量传输系统磁谐振耦合植入式医疗设备仿真模型倍压整流器

植入式医疗设备无线能量传输系统电磁环境下的人体安全性研究

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植入式医疗设备无线能量传输系统电磁环境下的人体安全性研究

作者：颜青中国海洋大学

学位级别：硕士

随着科技的发展,各类电磁设备产生的电磁辐射对人体安全的影响逐渐引起国内以及国际的普遍重视。人体在不同频率的高强度电磁辐射环境下会产生不同的病状,受到电磁辐射少可造成身体发热、神经疼痛,受到电磁辐射多可导致神经错乱、心脏... 详细信息

随着科技的发展,各类电磁设备产生的电磁辐射对人体安全的影响逐渐引起国内以及国际的普遍重视。人体在不同频率的高强度电磁辐射环境下会产生不同的病状,受到电磁辐射少可造成身体发热、神经疼痛,受到电磁辐射多可导致神经错乱、心脏衰竭、灼伤乃至致死。由于目前人体植入式医疗设备电源电量的有限性,对于将无线传能系统应用于人体植入式医疗设备进行无线能量补给的研究越来越多,因此人体在无线传能过程中系统产生的电磁辐射环境下的安全性研究就显得极为重要。为此,本文针对人体与植入式医疗设备无线能量传输系统电磁环境之间的相互作用原理和电磁仿真方法进行了比较详细地分析研究,主要的研究工作和创新点总结是：1.在介绍生物电磁学及生物电磁剂量学基本知识的基础上,对时域有限差分法的基本原理和要点作了归纳。2.提出了一种融入等效宽度技术的非均匀网格生成算法,在网格剖分软件中设置△Xmin,△Ymin,△Zmin以及RX, Ry, RZ,若沿x轴缩小模型尺寸,△Xmin可以在符合数值色散公式的基础上设置的大一点进行粗网格剖分;由于非均匀网格剖分方法网格尺寸在x,y,z方向上是不断变化的,因此在获得实际模型的等效尺寸时,需要求得划分为粗网格方向的网格单元尺寸的平均值,即该方向上的模型尺寸与网格数的比值,通过此平均值将计算模型的尺寸在相应方向减小半个网格,得到等效尺寸模型;重复第一个步骤,进行网格剖分。通过实验验证,说明了融入等效宽度技术的非均匀网格剖分算法在FDTD仿真时的准确性和有效性。3.将融入等效宽度技术的非均匀网格生成算法应用于植入式医疗设备无线能量传输系统电磁环境下人体头部和人体比吸收率SAR计算当中,研究无线传能系统谐振天线位于人体不同部位时的SAR分布情况,然后将求解结果与现今的国际国内卫生标准进行了比较。

关键词：无线能量传输系统时域有限差分算法比吸收率

基于MEMS柔性立体谐振子的无线能量传输系统

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基于MEMS柔性立体谐振子的无线能量传输系统

作者：陈炳城北京交通大学

学位级别：硕士

在过去十年中,可植入电子器件广泛应用于健康,医疗和消费电子产品中,对人们的生活产生了很大的影响。一些植入设备采用可再充电电池供电,尽管有大量的电池充电技术被开发出来,但是由于电池电荷存储能力和电池的再充电循环次数的限制使... 详细信息

在过去十年中,可植入电子器件广泛应用于健康,医疗和消费电子产品中,对人们的生活产生了很大的影响。一些植入设备采用可再充电电池供电,尽管有大量的电池充电技术被开发出来,但是由于电池电荷存储能力和电池的再充电循环次数的限制使得这些设备难以广泛应用。此外,由于需要大的切口植入,使得它们难以通过微创手术或内窥镜手术来植入。磁谐振式无线能量传输系统在能量传输效率与相对位置参数方面显示出比电感耦合式系统更大的优势。磁谐振式系统可实现近全方位的高效能量传输,具有干扰性强、低损耗且不受周围环境因素影响的特点。磁谐振式无线能量传输系统被认为是为植入式电子器件供给能量最好的方式。本文提出了立体柔性双电感交叠结构的MEMS线圈,并建立了立体线圈的有效电感、有效交流电阻和品质因数的理论模型。基于理论模型,通过MATLAB仿真,分析了线圈的股数和匝数对线圈性能的影响。同时,通过是德科技公司的阻抗分析仪E4990A测试所设计的立体柔性线圈的有效电感、有效交流电阻和品质因数。通过理论仿真结果和测量结果的对比,证明了理论模型的正确性。最后,运用两个内径为6mm的相同设计参数的柔性立体双电感线圈搭建了无线能量传输系统。运用功率管来设计发射端的E类功率放大电路,输入端加入反相器驱动电路。采用分立元件搭建接收端的整流稳压电路,提供稳压输出。当负载为100Ω,谐振线圈距离为5mm,系统的工作频率为13.56MHz时,整个系统的最大传输效率为21.24%。此时,输出端的电压为1.477V,等效为输出端的功率为21.82mW。

关键词：无线能量传输系统传输效率磁谐振理论模型立体双电感 MEMS