江 虹，朱小寧

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012)

植入式傳感器系統(tǒng)中無(wú)線電能發(fā)射線圈的研究

江 虹，朱小寧

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012)

為提高磁共振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的工作效率，提出研究磁通量接收線圈強(qiáng)度的方法。以發(fā)射線圈為研究對(duì)象，通過(guò)一種形函數(shù)對(duì)圓形、矩形線圈進(jìn)行仿真計(jì)算和深入研究。在實(shí)際效果區(qū)別較大的線圈形狀中，找出最優(yōu)的線圈設(shè)計(jì)方法，使其可在植入式傳感器領(lǐng)域更好地應(yīng)用。研究結(jié)果表明，選取矩形發(fā)射線圈可同時(shí)在4個(gè)內(nèi)角為4個(gè)接收裝置供能，從而大大提高傳輸效率。

植入式;無(wú)線電能傳輸;形函數(shù)

0 引言

磁共振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)在2007年被提出后［1］，人們努力開發(fā)其民用領(lǐng)域，但至今沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。筆者研究其在植入式傳感器中應(yīng)用的同時(shí)，努力改進(jìn)、提高電能傳輸?shù)男屎途嚯x，并著重研究接收和發(fā)射線圈的設(shè)計(jì)［2］。以往的磁共振式無(wú)線電能傳輸通常使用相同尺寸的發(fā)射線圈和接收線圈，但這種方式并不適用于醫(yī)療領(lǐng)域的植入式傳感器［3］。鑒于其工作環(huán)境，植入端設(shè)備的接收線圈尺寸受到嚴(yán)格限制，所以研究發(fā)射端線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布尤為重要。

筆者通過(guò)一種經(jīng)過(guò)Fourier變換的Biot-savart法則所得到的形函數(shù)［4］，分別對(duì)形狀為圓形、矩形的通電線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度建立數(shù)學(xué)模型并仿真。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，在本質(zhì)上認(rèn)識(shí)到磁共振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中發(fā)射線圈選取的重要性。

1 平面內(nèi)任意形狀的閉合通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度

如圖1所示，建立空間直角坐標(biāo)系。將一個(gè)任意形狀的單匝閉合通電線圈放置在z=z0處，通電電流為I(x，y)逆時(shí)針?lè)较?。將這個(gè)閉合線圈微分成無(wú)限多個(gè)節(jié)點(diǎn)［5］，則第i段節(jié)點(diǎn)(即xi-1到xi)所帶電流為fi(x)，如圖2所示。

圖1 平面內(nèi)的任意形狀線圈Fig.1 Arbitrary shaped planar coil in space

圖2 分割的閉合環(huán)形電流Fig.2 Small closed loop current

由Biot-savart法則平面內(nèi)任意形狀通電閉合線圈所形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度在 x、y、z軸方向的分量為［6］

圖3 N匝任意形狀線圈Fig.3 Single-layer arbitrary shaped coil

最后只需分別把圓形、矩形的形函數(shù)帶入式(4)～式(6)即可得到對(duì)應(yīng)形狀、匝數(shù)的線圈通電后形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。

2 仿 真

2.1 圓形線圈

假設(shè)圓形線圈所在平面為xy平面，當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈平行時(shí)是最大傳輸效率的角度［8］，即磁場(chǎng)在z軸方向的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)傳輸效率有直接影響。

圓形線圈形函數(shù)為

通過(guò)Matlab對(duì)兩種線圈形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度繪制仿真圖［9］(見(jiàn)圖4)。其中匝數(shù)為20，半徑為10 cm，每匝電流為5 A，且流向相同，觀測(cè)點(diǎn)范圍在線圈內(nèi)部。

2.2 矩形線圈

同樣地，設(shè)矩形線圈所在平面為xy平面。矩形的形函數(shù)為

得到

在不改變線圈最大半徑的情況下，同樣為20匝、邊長(zhǎng)為20 cm、每匝5 A的通電矩形線圈Matlab仿真圖如圖5所示。

圖4 圓形發(fā)射線圈形成磁場(chǎng)的二維圖Fig.4 2D-map of the magnetic field created by circle coil

圖5 矩形線圈形成的磁場(chǎng)二維圖Fig.5 2D-map of the magnetic field created by rectangular coil

3 仿真結(jié)果分析

當(dāng)只考慮磁場(chǎng)在z軸方向的分力，繪制出平面二維圖，顏色越深表示磁場(chǎng)延z軸方向的分力越大?？梢钥闯觯瑘A形線圈和矩形線圈都具有各自特點(diǎn)，圓形線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度分布均勻，但局部場(chǎng)強(qiáng)不高;矩形線圈在4個(gè)內(nèi)角的磁感應(yīng)強(qiáng)度很高，但線圈內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布較復(fù)雜。

當(dāng)把x、y、z軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量積分累加，用Matlab繪制出通電矩形線圈形成磁場(chǎng)強(qiáng)度的三維圖形(見(jiàn)圖6)，可更加直觀地看出4個(gè)內(nèi)角的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯高出中心位置，x、y軸表示矩形線圈所在平面。圖6b為磁場(chǎng)在yz平面的透視圖，z軸單位均為10-7A/M。

利用上述特點(diǎn)，在磁共振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)下的植入式傳感器供能裝置中。發(fā)射線圈的設(shè)計(jì)可采用較大尺寸的矩形線圈，接收端線圈可以采用較小尺寸的圓形線圈(因?yàn)樽畲蟀霃较嗤瑫r(shí)，圓形面積最大)，這樣可高效地進(jìn)行電能傳輸。而且在今后的研究中可將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向一個(gè)電能發(fā)射設(shè)備為多個(gè)接收設(shè)備供能的情況，相同尺寸線圈理論上也可以一對(duì)多地傳輸電能［10］，但在實(shí)際應(yīng)用中情況更復(fù)雜。而筆者提出的大尺寸矩形線圈，在4個(gè)內(nèi)角為4個(gè)接收設(shè)備供能的情況更符合實(shí)際應(yīng)用。

圖6 矩形線圈形成磁場(chǎng)的Matlab仿真圖Fig.6 Matlab simulation of the magnetic field created by rectangular coil

4 結(jié)語(yǔ)

筆者利用一種經(jīng)過(guò)Fourier變換的Biot-savart法則所得到的形函數(shù)，對(duì)通電后的圓形、矩形線圈建立數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)一步仿真出磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。

通過(guò)仿真圖直觀地認(rèn)識(shí)到在磁共振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射線圈在設(shè)計(jì)形狀時(shí)有本質(zhì)區(qū)別。特別應(yīng)用到植入式傳感器領(lǐng)域時(shí)，矩形線圈在4個(gè)內(nèi)角的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以更高效地為接收線圈較小的電能接收設(shè)備供能。而矩形線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度分布較為復(fù)雜，需要進(jìn)一步研究才能確定使場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻的因素，從而穩(wěn)定矩形線圈輸出的磁場(chǎng)［11］，可更好地為植入式傳感器供能。

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(責(zé)任編輯:劉東亮)

Research on Wireless Energy Transfer Platform for Implantable Devices

JIANG Hong，ZHU Xiaoning
(School of Electrical and Electronic Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China)

To improve the efficiency of the energy transmission system，a method that can obtain the density gone through the receiving coil，will mainly used in study on the magnetic field that created by the transmitting coil，and stimulate the field with a sort of shape function is proposed.Because of using rectangle and circle as the transmitting coil differentiate the effect of transmission efficiency，we need to find out the optimal shape of the transmitting coil.The results say that rectangular transmitting coil can provide energy for four devices simultaneous，and more effective than circle coil.

implantable device;wireless energy transfer;shape function

TM835

A

1671-5896(2014)02-0177-04

2013-09-27

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃工業(yè)高新技術(shù)研究類基金資助項(xiàng)目(20140204007GX)

江虹(1970— )，女，長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事智能儀器、圖像處理和測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器研究，(Tel)86-13514307926(E-mail)jianghong@mail.ccut.edu.cn。