植入式医疗设备磁谐振式无线输电系统线圈设计研究

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1、硕士学位论文植入式医疗设备磁谐振式无线输电系统线圈设计研究作者姓名曾玉凤学科专业电力电子与电力传动指导教师丘东元教授所在学院电力学院论文提交日期2018年4月ResearchonCoilDesignforMagneticResonantWirelessPowerTransferSysteminImplantedMedicalDeviceADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ZengYufengSupervisor：Prof.QiuDongyuanSouthChinaUniversityofTechnologyGuan

2、gzhou,China分类号：TM724学校代号：10561学号：201520111447华南理工大学硕士学位论文植入式医疗设备磁谐振式无线输电系统线圈设计研究作者姓名：曾玉凤指导教师姓名、职称：丘东元教授申请学位级别：工学硕士学科专业名称：电力电子与电力传动研究方向：无线电能传输系统线圈设计研究论文提交日期：2018年4月20日论文答辩日期：2018年6月4日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：张波委员：陈艳峰，丘东元，杨汝，谢帆摘要基于磁耦合谐振原理的无线电能传输技术因具有传输距离远、传输效率高等特点，成为了目前国内外的研究热点。利用磁谐振式无线

3、电能传输技术为植入式医疗设备供电，可以解决人们对高质量、舒适、安全可靠的医疗保健需求，因此具有广阔的市场前景。磁耦合线圈作为无线电能传输系统的核心部件，其性能影响了系统的传输效率和输出功率的稳定性。对于植入式医疗系统，由于发射线圈和接收线圈的尺寸存在较大的差异，使得系统的传输距离短、传输效率低；另外，接收线圈在人体内容易发生移动，导致输出功率不能保持恒定。因此，本文针对植入式医疗设备研究了磁谐振式无线电能传输系统线圈的优化设计，以实现磁谐振式无线输电系统高效、稳定的功率输出。本文的主要研究工作包括：首先，建立了磁谐振式无线电能传输系统的等效电路模型，得到系统传输效率和最佳负载的表达

4、式，并给出了系统谐振工作频率的选择范围；分析了线圈失谐时传输特性和输出特性的变化趋势，得到线圈优化设计的目标为增大线圈的品质因数和耦合系数。其次，分析了磁耦合线圈参数设计与其性能之间的关系，具体研究了线圈类型、线圈结构，以及线圈尺寸等参数对线圈品质因数、耦合系数以及磁场均匀性的影响；总结了线圈电感、电阻和互感等参数的计算方法，并基于有限元仿真和理论计算，对比了各电感计算式的适用范围；研究了集肤效应、邻近效应等对线圈电阻的影响，分析得到匝间距、线径、导线材质等参数的优化方向。接着，对植入式脊髓电刺激器无线输电系统的发射线圈和接收线圈的结构及参数进行了优化设计；并对发射线圈进行了分段优

5、化，对比了分段前后线圈的电场强度大小，说明了分段优化有利于降低线圈上的激励电压，以保证人体穿戴的安全。最后，基于优化的线圈结构和参数搭建了植入式医疗设备无线输电系统实验样机，实验结果表明，该系统在线圈间距5cm时效率大于40%，并能实现较大范围内（18cm×10cm）功率的稳定输出，改善了植入式医疗设备无线输电系统的传输效率和输出功率的稳定性。关键词：磁谐振；无线电能传输；植入式医疗设备；磁耦合线圈IAbstractThemagneticresonantwirelesspowertransfertechnologyhasbecomearesearchhotspotduetoitss

6、implestructure,longtransferdistanceandhightransferefficiency.Theapplicationofmagneticresonantwirelesspowertransfertechnologyinimplantedmedicalsystemprovideshighlyefficientandreliablepowerforimplanteddevices,andsolvestheurgentneedsofpatientforhighquality,comfortable,safeandreliablemedicalcare,a

7、ndpossessesabroaddevelopmentprospect.However,themagneticcouplingcoilasthecorepartofwirelesspowertransfersystem,itscharacteristicsaffectthetransferefficiencyandthestabilityofoutputpowerofthesystem.Fortheimplantedmedicalsystem,thereisalar