植入式傳感器系統(tǒng)中無線電能發(fā)射線圈的研究

江 虹，朱小寧

(長春工業(yè)大學電氣與電子工程學院，長春130012)

植入式傳感器系統(tǒng)中無線電能發(fā)射線圈的研究

江 虹，朱小寧

(長春工業(yè)大學電氣與電子工程學院，長春130012)

為提高磁共振式無線電能傳輸系統(tǒng)的工作效率，提出研究磁通量接收線圈強度的方法。以發(fā)射線圈為研究對象，通過一種形函數(shù)對圓形、矩形線圈進行仿真計算和深入研究。在實際效果區(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)射線圈可同時在4個內(nèi)角為4個接收裝置供能，從而大大提高傳輸效率。

植入式;無線電能傳輸;形函數(shù)

0 引言

磁共振式無線電能傳輸技術(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，努力改進、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［2］。以往的磁共振式無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格限制，所以研究發(fā)射端線圈產(chǎn)生的磁場分布尤為重要。

筆者通過一種經(jīng)過Fourier變換的Biot-savart法則所得到的形函數(shù)［4］，分別對形狀為圓形、矩形的通電線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度建立數(shù)學模型并仿真。通過對仿真結(jié)果的分析，在本質(zhì)上認識到磁共振式無線電能傳輸系統(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)生的磁場強度

如圖1所示，建立空間直角坐標系。將一個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)逆時針方向。將這個閉合線圈微分成無限多個節(jié)點［5］，則第i段節(jié)點(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)即可得到對應(yīng)形狀、匝數(shù)的線圈通電后形成的磁感應(yīng)強度分布。

2 仿 真

2.1 圓形線圈

假設(shè)圓形線圈所在平面為xy平面，當接收線圈與發(fā)射線圈平行時是最大傳輸效率的角度［8］，即磁場在z軸方向的場強對傳輸效率有直接影響。

圓形線圈形函數(shù)為

通過Matlab對兩種線圈形成的磁感應(yīng)強度繪制仿真圖［9］(見圖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，觀測點范圍在線圈內(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二維圖Fig.5 2D-map of the magnetic field created by rectangular coil

3 仿真結(jié)果分析

當只考慮磁場在z軸方向的分力，繪制出平面二維圖，顏色越深表示磁場延z軸方向的分力越大?？梢钥闯?，圓形線圈和矩形線圈都具有各自特點，圓形線圈磁感應(yīng)強度分布均勻，但局部場強不高;矩形線圈在4個內(nèi)角的磁感應(yīng)強度很高，但線圈內(nèi)部場強分布較復(fù)雜。

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

利用上述特點，在磁共振式無線電能傳輸系統(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(因為最大半徑相同時，圓形面積最大)，這樣可高效地進行電能傳輸。而且在今后的研究中可將重點轉(zhuǎn)向一個電能發(fā)射設(shè)備為多個接收設(shè)備供能的情況，相同尺寸線圈理論上也可以一對多地傳輸電能［10］，但在實際應(yīng)用中情況更復(fù)雜。而筆者提出的大尺寸矩形線圈，在4個內(nèi)角為4個接收設(shè)備供能的情況更符合實際應(yīng)用。

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

4 結(jié)語

筆者利用一種經(jīng)過Fourier變換的Biot-savart法則所得到的形函數(shù)，對通電后的圓形、矩形線圈建立數(shù)學模型，并進一步仿真出磁感應(yīng)強度分布圖。

通過仿真圖直觀地認識到在磁共振式無線電能傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射線圈在設(shè)計形狀時有本質(zhì)區(qū)別。特別應(yīng)用到植入式傳感器領(lǐng)域時，矩形線圈在4個內(nèi)角的磁感應(yīng)強度可以更高效地為接收線圈較小的電能接收設(shè)備供能。而矩形線圈磁場強度分布較為復(fù)雜，需要進一步研究才能確定使場強分布不均勻的因素，從而穩(wěn)定矩形線圈輸出的磁場［11］，可更好地為植入式傳感器供能。

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(責任編輯: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)展計劃工業(yè)高新技術(shù)研究類基金資助項目(20140204007GX)

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