CN113935154A - 电磁感应无线能量传输系统中能量传输效率的优化方法 - Google Patents

电磁感应无线能量传输系统中能量传输效率的优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于医疗植入器件技术领域，具体为一种用于心脏起搏器的电磁感应无线能量传输系统中能量传输效率的优化方法。本发明的电磁感应无线能量传输系统中，发射线圈采用平面螺旋线圈结构，接收线圈采用螺旋管结构，接收线圈缠绕在心脏起搏器侧面；本发明通过系统中能量传输效率的理论计算和基于三维仿真软件HFSS仿真，找到发射线圈和接收线圈正对准情况下无线能量传输系统的各个参数：发射线圈的几何形状、发射线圈和人体组织表面距离，分析这些参数对能量传输效率的影响，并通过实验对仿真结果进行验证；本发明方法可以方便、快捷得到发射和接收线圈的关键参数值，使能量传输效率最大化；可为这类医疗植入器件无线能量传输系统的设计提供参考。

Description

电磁感应无线能量传输系统中能量传输效率的优化方法
技术领域
本发明属于医疗植入器件技术领域，具体涉及用于心脏起搏器的电磁感应无线能量传输系统中能量传输效率的优化方法。
背景技术
近年来，无线能量传输技术一直为国内外学者研究关注的一个热点，其研究成果能够广泛应用于家用电器、电动汽车以及人体植入器件，特别是在人体植入器件应用上。目前的心脏起搏器，当电量耗尽后，通过二次手术将原起搏器换为新的，给患者的生理上和经济上带来双重痛苦和负担。为了解决电池电量问题，本发明提出一种电磁感应无线能量传输的设计和实现方法，对心脏起搏器中的电池进行充电，从而延长器件使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于针对医疗植入器件提供一种用于医疗植入器件(心脏起搏器)的电磁感应无线能量传输系统中能量传输效率的优化方法。
本发明涉及的电磁感应无线能量传输系统中，发射线圈采用平面螺旋线圈结构(如蚊香形状)，接收线圈采用螺旋管结构，接收线圈缠绕在心脏起搏器侧面，心脏起搏器的几何形状和放置位置的确定，接收线圈的线圈半径，以及接收线圈距离人体表面的距离也随之确定。更加有利于方便、快捷地对于无线能量传输系统进行设计和优化。
本发明通过理论分析和基于三维仿真软件HFSS仿真，总结得到提高传输效率的优化方案。具体地，利用电磁感应无线能量传输系统中能量传输效率的理论计算和三维仿真软件HFSS仿真，找到发射线圈和接收线圈正对准情况下无线能量传输系统的各个参数；这些参数包括：发射线圈的几何形状、发射线圈和人体组织表面距离等，分析这些参数对能量传输效率的影响，并通过实验对仿真结果进行验证。
本发明提供的用于医疗植入器件的无线能量传输系统中传输效率的优化方法，其流程如图2所示，具体步骤为：
(1)设立无线能量传输模型的初始值：包括接收线圈几何形状的初始值：线圈半径R2，线圈匝数n2和导线半径r2，以及接收线圈和人体组织表面的距离d2；
(2)基于传递效率能量传输效率，优化无线能量传输模型参数，这些参数包括发射线圈内径Rin，外径Rout，和发射线圈匝数n1，导线半径r1，以及发射线圈距离人体组织表面的距离d1；优化无线能量传输模型参数的方式为：
(2.1)优化参数为发射线圈的几何形状，限制条件为接收线圈的几何形状尺寸；
(2.2)优化参数为发射线圈距离人体组织表面的距离d1，限制条件为发射线圈和接收线圈的几何形状尺寸；
(3)使用仿真软件优化得到的无线能量传输模型结果，并对仿真软件优化结果，用理论计算或实验结果验证；具体是，使用矢量网络分析仪，通过测量散射参数(S参数)求得阻抗参数(Z参数)，由Z参数得到线圈的电阻(Z的实部)和电感(Z的虚部)。
本发明步骤(2.1)中，所述优化参数发射线圈几何形状的具体步骤为：将发射线圈与接收线圈正对准，固定接收线圈的位置和几何形状尺寸，设定发射线圈内径Rin＝5mm，外径Rout＝25mm；分别选用AWG21(0.362mm)，AWG22(0.321mm)，AWG23(0.287mm)三种尺寸的铜丝来设计发射线圈，同时发射线圈的匝数分别有3、4、5，此时一共有9种类型的发射线圈；比较HFSS仿真，得到最大能量传输效率的接收线圈几何形状。
本发明步骤(2.2)中，所述优化发射线圈距离人体组织表面的距离d1的具体步骤为：分别对发射线圈到人体组织表面距离d1＝2mm、3mm、5mm进行仿真，比较HFSS仿真结果得到最大能量传输效率时的d1。
本发明中，所述电磁感应无线能量传输系统中能量传输效率的理论计算，其公式推导如下：
电磁感应无线能量传输系统的电路模型以及等效T型图，分别如图2中的(a)和(b)所示。
设发射线圈和接收线圈的电感分别为L1和L2，它们分别连接到电源和负载。R1、R2和RL分别为发射线圈、接收线圈和负载的电阻。C1和C2e分别是用来在发射和接收电路中产生共振的外加电容，与C2e并联的C2p是负载寄生电容，M是L1和L2之间的互感，I1和I2分别是发射线圈和接收线圈中电流。
根据电路图，可以得到能量传输效率的理论计算公式为：
Figure BDA0003278603160000021
在无线能量传输生物安全的情况下(比吸收率限制)，释放到负载的最大能量的理论计算公式为：
Figure BDA0003278603160000022
其中：
Figure BDA0003278603160000023
ω为工作时的角频率；实施例中设定RL＝1kΩ。
本发明步骤(3)中，所述使用仿真软件优化得到的无线能量传输模型结果，并对仿真程序进行优化，用理论计算或实验结果验证，具体是，使用矢量网络分析仪，通过测量散射参数(S参数)求得阻抗参数(Z参数)，由Z参数得到线圈的电阻(Z的实部)和电感(Z的虚部)。通过构建系统电路，使用信号发生器提供功率，测量负载两端功率，求解电路系统的能量传输效率，并且点亮发光二极管。
具体步骤为：将线圈通过一对螺纹针孔连接器(SMA)连接到矢量网络分析仪上，利用去嵌入式校准的方法减小SMA连接器产生的磁干扰对实验结果的影响(参考文献：H.Choand D.Burk,“A three-step method for the de-embedding of high-frequency S-parameter measurements,”IEEE Trans.Electron Devices,vol.38,no.6,pp.1371–1375,Jun.1991)；该方法从原始被测设备的测量中减去测量夹具产生的寄生参数；设测量得到的原始S参数表示为Sdut，可转换为导纳参数Ydut，其关系如下：
Ydut＝(G0-Sdut)(Z0·Sdut+Z0)-1； (3)
其中，G0为单位矩阵，Z0为各端口的特征阻抗矩阵，表示为50G0；
类似的，用将线圈开路和短路得到的Sshort和Sopen转化为Yshort和Yopen；去除寄生电容耦合和自电容后，系统的导纳参数Y参数表示为：
Y＝[(Ydut-Yopen)-1-(Yshort-Yopen)-1]-1， (4)
将得到的Y参数转为Z参数(Z＝Y-1)。
通过Z参数，可以得到线圈的电阻、电感等物理量，并可得到互感系数M。这样，式(1)和(2)中的各物理量皆可得到，从而可以计算出能量传输效率和释放到负载的最大能量。
本发明方法可以方便、快捷得到发送和接收线圈的关键参数值，使传输效率最大化。
本发明为医疗植入器件无线能量传输提供了一种高效方便的设计方案，为这类医疗植入器件无线能量传输系统的设计提供有益参考。
作为应用范例，设定发射线圈与人体组织表面间距为2mm的能量传输系统进行优化(绝大多数情况下，医学植入器件的发射和接收线圈间距为20mm左右，本发明中发射线圈到人体组织表面距离2mm，接收线圈到人体组织表面距离10mm，而接收线圈以螺旋管结构缠绕在厚度为8mm的心脏起搏器周围，发射线圈和接收线圈的间距与常见间距相近)，得到产生最大能量传输效率值的发射线圈几何形状以及发射线圈和人体组织的间距等关键参数。
附图说明
图1为无线能量传输系统在HFSS中的侧视图以及发射线圈和接收线圈的鸟瞰图。
图2为电磁感应无线能量传输系统的电路模型以及等效T型图。其中，(a)为电路模型，(b)为等效T型图。
图3为无线能量传输系统设计优化流程图。
图4为无线能量传输系统在发射线圈不同几何形状下的能量传输效率。
图5为在确定接收线圈和发射线圈几何形状后在发射线圈和人体组织表面不同距离时的能量传输效率。
图6为人体组织表面的SAR大小。
图7为接收线圈周围人体组织温度升高情况。
图8为发光二极管被成功点亮。
具体实施方式
对植入式的无线能量传输系统，本发明使用HFSS仿真软件或理论计算公式得到不同情况下的能量传输效率。
图3为无线能量传输系统设计优化流程图。
具体步骤为：
(1)首先，由于接收线圈的设计灵活度较低，本发明采用线圈缠绕在心脏起搏器侧面的方式进行设计，所以接收线圈的几何参数受到心脏起搏器的重要影响，现在市场上的起搏器主要是以美敦力为主，美敦力心脏起搏器代表着整个行业的最高水平，美敦力起搏器的长度在42.9-52.3mm内，宽度一般在40.2-45.4mm，高度约8mm。本发明采用半径20mm，高度8mm的钛材料的圆柱体外壳来替代心脏起搏器进行仿真和实验，钛外壳放置在皮肤表面下10mm处，模拟心脏起搏器放置于人体组织内，故接收线圈的半径即为钛外壳的半径20mm；
接收线圈选用AWG23(0.287mm)铜丝缠绕，铜丝在钛外壳侧面等间距缠绕5匝成螺线管结构作为接收线圈，接收线圈放置位置根据心脏起搏器在人体中的放置位置决定，即接收线圈距离人体组织表面的距离d2＝10mm，为了避免铜丝直接和人体组织接触，本发明采用生物相容性好的环氧树脂材料将铜丝包裹，不仅阻断接收线圈和钛外壳的直接接触，同时也避免了接收线圈和人体组织的直接接触。
(2)确定接收线圈形状位置后，对发射线圈进行设计，发射线圈尺寸和位置设计的灵活度相对较高，可以设计成较大尺寸，发射线圈采用等间距缠绕的螺旋结构，发射线圈的外半径为25mm，内半径是5mm，分别选用AWG21(0.362mm)，AWG22(0.321mm)，AWG23(0.287mm)三种尺寸的铜丝来设计发射线圈，同时发射线圈的匝数分别有3、4、5，此时一共有9种类型的发射线圈，HFSS优化仿真得到9种条件下的发射线圈的性能对比，从而确定接收线圈的几何形状。由图4得n1＝5，r1＝0.362mm时能量传输效率始终最高，故本发明选用n1＝5，r1＝0.362mm作为发射线圈参数，发射线圈的几何形状确定。
(3)在发射线圈的外径、内径、匝数和铜丝半径确定后，本发明还对发射线圈的位置进行仿真优化。接收线圈在皮肤下的位置受到心脏起搏器的限制，本发明中接收线圈距离人体组织表面的距离固定为10mm，模拟心脏起搏器安装在人体表面下10mm处，d2＝10mm。而发射线圈到皮肤的距离有着很高的灵活度，发射线圈和接收线圈中心轴重合，故可以调节发射线圈到人体皮肤表面的距离来优化仿真，本发明分别对发射线圈到人体组织表面距离d1＝2mm、3mm、5mm进行仿真，由图5得到d1＝2mm时无线充电系统在三种距离的仿真中始终有着最高的传输效率能量传输效率。同时仿真可以看出无线能量传输的传输效率变化的大概趋势，发射线圈距离皮肤表面的距离越近，传输效率越高，考虑在实际应用中，发射线圈和人体组织之间需要保持一定距离，故本发明选用d1＝2mm作为发射线圈到皮肤表面的距离。于是，发射线圈形状尺寸以及位置可以确定，发射线圈是内半径5mm、外半径25mm的螺旋结构，5匝线圈等间距缠绕，发射线圈中心对准钛外壳的中心并且平行于皮肤表面放置，发射线圈置于离皮肤表面d1＝2mm处的空气中。
(4)安全性验证，以20MHz为例，分别在HFSS以及icepak中仿真，得到人体皮肤表面的SAR以及接收线圈周围的人体组织温度。如图6所示，人体表面的最高SAR最高值为2.84W/kg，始终小于安全值2.89W/kg。如图7所示，本发明在20MHz下，人体基础温度设为36.5℃，发射线圈1.09A电流仿真最终得到发射线圈周围最高温度38.71℃，在人体可以承受的安全范围之内。故本发明设计符合安全标准。
(5)科学性验证，仿真结果和实验结果的对比是在采用相同计算公式的基础上进行的，表1是通过Z参数比较仿真结果和实验结果的差异。四组数据都是在20MHz时所取得的结果，分别包括空气环境下的仿真数据和实验数据以及肌肉环境下的仿真数据和实验数据。经过对比，仿真数据和实验数据基本吻合。
表1
Figure BDA0003278603160000051
根据测得Z参数，采用上述的计算方法，对于重要参数进行计算比较，具体如表2。实验结果和仿真结果基本吻合，在20MHz的情况下，仿真和实验中空气环境下的传输效率分别是36.77％以及35.20％，仿真和实验中肌肉环境下的传输效率分别为33.92％以及32.90％。特别是在考虑SAR安全以及温度安全的前提下，在肌肉环境下选用1.09A的输入电流，最终实验得到263.58mW的功率，与仿真中的313.31mW相接近。
表2
Figure BDA0003278603160000061
为了进一步验证无线能量传输系统的科学性，本发明构建了电路系统，主要包括信号发生器、补偿电路、无线能量传输结构、接收端负载。由信号发生器提供功率，求解无线能量传输系统的能量传输效率，选用的信号发生器最高频率为10MHz，故电路实验在10MHz下进行。接收电路上加入桥式整流电路，串联1000Ω负载，然后采用下列公式求解传输效率能量传输效率，最终求得实验中的传输效率能量传输效率为18.70％和仿真的传输效率16.99％相接近，可以证明无线能量传输系统的科学性，参见表3。将1000欧姆负载改为发光二极管，最终成功点亮，见图8。
Figure BDA0003278603160000071
Figure BDA0003278603160000072
Figure BDA0003278603160000073
表3
仿真 实验
R<sub>1</sub> 0.2654Ω 0.2489Ω
R<sub>ref</sub> 0.5515Ω 0.6204Ω
R＇<sub>L</sub> 0.7991Ω 0.8034Ω
η 16.99％ 18.70％

Claims (5)

1.一种用于心脏起搏器的电磁感应无线能量传输系统中能量传输效率的优化方法，其特征在于，所述电磁感应无线能量传输系统中，发射线圈采用平面螺旋线圈结构，接收线圈采用螺旋管结构，接收线圈缠绕在心脏起搏器侧面，心脏起搏器的几何形状和放置位置的确定，接收线圈的线圈半径R2，以及接收线圈距离人体表面的距离也随之确定；有利于方便、快捷地对于无线能量传输系统进行设计和优化；
通过理论分析和基于三维仿真软件HFSS仿真，总结得到提高传输效率的优化方案；具体地，利用电磁感应无线能量传输系统中能量传输效率的理论计算和三维仿真软件HFSS仿真，找到发射线圈和接收线圈正对准情况下无线能量传输系统的各个参数；这些参数包括：发射线圈的几何形状、发射线圈和人体组织表面距离，分析这些参数对能量传输效率的影响，并通过实验对仿真结果进行验证；具体步骤为：
(1)设立无线能量传输模型的初始值：包括接收线圈几何形状的初始值：线圈半径R2，线圈匝数n2和导线半径r2，以及接收线圈和人体组织表面的距离d2；
(2)基于传递效率能量传输效率，优化无线能量传输模型参数，这些参数包括发射线圈内径Rin，外径Rout，发射线圈匝数n1，导线半径r1，以及发射线圈距离人体组织表面的距离d1；优化无线能量传输模型参数的方式为：
(2.1)优化参数为发射线圈的几何形状，限制条件为接收线圈的几何形状尺寸；
(2.2)优化参数为发射线圈距离人体组织表面的距离d1，限制条件为发射线圈和接收线圈的几何形状尺寸；
(3)使用仿真软件优化得到无线能量传输模型结果，并对仿真软件优化结果，用理论计算或实验结果验证，具体是使用矢量网络分析仪，通过测量S参数求得Z参数，由Z参数得到线圈的电阻即Z的实部和电感即Z的虚部；这里，S参数为散射参数，Z参数为阻抗参数。
2.根据权利要求1所述的能量传输效率的优化方法，其特征在于，步骤(2.1)中，所述优化参数发射线圈几何形状的具体步骤为：将发射线圈与接收线圈正对准，固定接收线圈的位置和几何形状尺寸，设定发射线圈内径Rin＝5mm，外径Rout＝25mm；分别选用AWG21，AWG22，AWG23三种尺寸的铜丝来设计发射线圈，同时发射线圈的匝数分别为3、4、5，此时一共有9种类型的发射线圈；比较HFSS仿真，得到最大能量传输效率的接收线圈几何形状。
3.根据权利要求2所述的能量传输效率的优化方法，其特征在于，步骤(2.2)中，所述优化发射线圈距离人体组织表面的距离d1的具体步骤为：分别对发射线圈到人体组织表面距离d1＝2mm、3mm、5mm进行仿真，比较HFSS仿真结果得到最大能量传输效率时的d1。
4.根据权利要求1-3之一所述的能量传输效率的优化方法，其特征在于，所述的电磁感应无线能量传输系统中能量传输效率的理论计算，其计算公式如下：
设发射线圈和接收线圈的电感分别为L1和L2，它们分别连接到电源和负载；R1、R2和RL分别为发射线圈、接收线圈和负载的电阻；C1和C2e分别是用来在发射和接收电路中产生共振的外加电容，与C2e并联的C2p是负载寄生电容，M是L1和L2之间的互感，I1和I2分别是发射线圈和接收线圈中电流；能量传输效率的理论计算公式为：
Figure FDA0003278603150000021
在无线能量传输生物安全的情况下，释放到负载的最大能量的理论计算公式为：
Figure FDA0003278603150000022
其中：
Figure FDA0003278603150000023
ω为工作时的角频率。
5.根据权利要求4所述的能量传输效率的优化方法，其特征在于，步骤(3)中，所述使用仿真软件优化得到无线能量传输模型结果，并对仿真软件优化结果，用理论计算或实验结果验证；使用矢量网络分析仪，通过测量S参数求得Z参数，由Z参数得到线圈的电阻即Z的实部和电感即Z的虚部；具体步骤为：将线圈通过一对螺纹针孔连接器连接到矢量网络分析仪上，利用去嵌入式校准的方法减小纹针孔连接器产生的磁干扰对实验结果的影响；从原始被测设备的测量中减去测量夹具产生的寄生参数；设测量得到的原始S参数表示为Sdut，可转换为导纳参数Ydut，其关系如下:
Ydut＝(G0-Sdut)(Z0·Sdut+Z0)-1； (3)
其中，G0为单位矩阵，Z0为各端口的特征阻抗矩阵，表示为50G0；
类似的，用将线圈开路和短路得到的S参数Sshort和Sopen转化为导纳参数Yshort和Yopen；去除寄生电容耦合和自电容后，系统的导纳参数Y参数表示为:
Y＝[(Ydut-Yopen)-1-(Yshort-Yopen)-1]-1， (4)
将得到的Y参数转为Z参数：Z＝Y-1；通过Z参数，得到线圈的电阻、电感，并得到互感系数M；于是，通过式(1)和(2)可以计算出能量传输效率和释放到负载的最大能量。
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