体内微机电系统无线能量传输技术的研究

摘要

无线能量传输技术主要利用电磁感应原理来传递能量，是近年来比较热门的新型电能供给技术，在许多场合有着广泛的应用前景。特别在生物医学领域，体内微机电系统一般由微型电池供能，主要存在供能时间短和安全性等问题。而无线能量传输技术可以为体内微机电系统提供更好的能量供给方法。 本文对国内外有关无线能量传输技术的研究成果进行了深入细致的综合分析。无线能量传输技术利用电磁耦合式原理传递能量，松耦合变压器是其关键部件。在此基础上，建立了无线能量传输系统的数学模型，并搭建了相应的实验系统，进行了大量的试验研究和仿真计算，验证了本文提出的方法和理论的正确性。 本论文主要完成了以下内容： 1、研究了体内微机电无线能量传输系统的基本原理。首先介绍了体内微机电无线能量传输系统的基本结构，然后建立了无线能量传输系统数学模型，对初次级绕组在不同补偿拓扑方式下的反映阻抗和补偿电容的推导和计算，最后对系统性能进行了仿真和分析。 2、研究体内微机电无线能量传输系统松耦合变压器的初次级绕组电感和耦合系数。主要有两个方面的内容，其一是研究松耦合铁芯变压器电感和耦合性能，主要是研究铁芯变压器初次级绕组位置、气隙、水平位移、铁芯和运行频率对变压的初次级绕组电感和耦合性能的影响，利用有限元仿真软件Ansoft对体内微机电无线能量传输系统的松耦合过程进行了仿真和分析。第二方面的内容是研究空心变压器电感的计算，主要对非同轴的线圈互感计算进行了详细研究，探讨了轴向、径向距离、夹角和线圈半径对互感的影响，同时给出了一种三轴移动测试平台，可以快捷精确地调节线圈间的轴向径向气隙和夹角，在此基础上建立了互感测试系统，测试结果与计算值是相符合的。 3、对无线能量传输技术进行性能试验研究与结果分析。首先介绍了无线能量传输的核心部件：松耦合变压器的设计，然后进行了基于该变压器的无线能量传输的相关性能试验，试验证明耦合变压器的设计和无线能量传输方案是可行的。 4、设计和研制了尺寸为60×30×15mm的实际负载无线供能传输系统，白炽灯的工作电压为12V，输出功率为10W，效率达到70％，摄像采集装置的工作电压为8V，输出功率可达640mW，效率达到64％。对功率为10W白炽灯和0.64W的摄像采集装置的加载实验结果充分表明了无线能传输系统设计方案是可行的，高效的。 5、对体内微机电无线能量传输系统进行了原理设计和研制。通过对在二维线圈的尺寸Φφ9x6mm的输出线圈试验表明：次级绕组采用互相正交的二维线圈，不管体内微机电系统在何种位置和姿态，都可以有效接受能量，一般可以高达110-240mW。并成功带动三种类型微机电系统工作，一是内有发光二极管的胶囊微机电系统，输出电压为2.4V，发光二极管可以工作；二是温度采集胶囊微机电系统，输出电压为3.0V，可以采集温度并传输到外部接受装置；三是摄像采集系统，输出电压可达6-8V，可以拍摄文字和图像。 本文在体内微机电系统无线能量传输技术研究方面做了大量的工作，但也存在一些不足之处，如结构微型化和实际应用等，这些有待以后进一步研究和完善。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：物理量名称及符号表

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.1.1无线能量传输技术

1.1.2无线能量传输的研究必要性

1.1.3无线能量传输技术系统类型及工作原理

1.1.4无线能量传输技术在微机电系统中的应用前景

1.2无线能量传输技术国内外研究现状

1.2.1无线能量传输技术国外研究现状

1.2.2无线能量传输技术国内研究现状

1.3本论文的研究内容及结构

第二章体内微机电无线能量传输系统模型建立

2.1引言

2.2体内微机电无线能量传输系统基本结构和原理

2.3初次级补偿系统模型

2.3.1串联-串联拓扑补偿(SS)

2.3.2串联-并联拓扑补偿(SP)

2.3.3并联-串联补偿(PS)

2.3.4并联-并联补偿(PP)

2.4系统性能与仿真分析

2.4.1反映阻抗

2.4.2电磁耦合结构参数对系统传输性能的影响

2.4.3电路参数对系统传输性能的影响

2.5本章小结

第三章 电感和耦合系数的数值分析与试验研究

3.1引言

3.2松耦合铁芯变压器的数值分析

3.2.1非线性磁场基本方程与数值分析原理

3.2.2电感和耦合系数k

3.2.3仿真物理模型

3.3自感和互感试验装置

3.4电感和耦合性能计算分析与试验分析讨论

3.4.1绕组位置对电感和性能的影响

3.4.2铁芯的轴距离X对电感和耦合系数的影响

3.4.3轴距离Y对电感和耦合系数的影响

3.4.4横向轴距离Z对互感耦合系数的影响

3.4.5铁芯对耦合系数的影响

3.4.6系统运行频率对电感和耦合系数的影响

3.5空心线圈电感的计算

3.5.1线圈自感计算方程

3.5.2线圈互感计算方程

3.5.3试验装置

3.5.4仿真和试验分析

3.6本章小结

第四章无线能量传输系统性能测试与分析

4.1引言

4.2实验系统

4.2.1无线能量传输实验系统的构成

4.2.2松耦合高频变压器设计

4.3实验内容

4.4交流电阻

4.5功率损耗与温度关系

4.6无补偿时变压器传输性能

4.6.1铁芯变压器无补偿时传输性能

4.6.2无补偿时空心变压器传输性能

4.7电容补偿对系统性能的影响

4.7.1初次级回路补偿对供电电源性能的影响

4.7.2电路参数对系统的功率和传输效率的影响

4.7.3补偿电容对系统输出功率和传输效率的影响

4.8本章小结

第五章 无线电能供给系统的设计与实际应用

5.1引言

5.2无线电能供给系统的设计与研制

5.2.1松耦合变压器的设计

5.2.2补偿电容选择

5.3整流与滤波

5.3.1整流二极管的选择

5.3.2滤波电容选择

5.4无线电能供给实验

5.4.1负载实验

5.4.2白炽灯的照明实验

5.4.3摄像系统采样实验

5.5本章小结

第六章体内微机电无线能量传输系统设计与试验

6.1引言

6.2体内微机电无线能量传输系统的设计与研制

6.2.1松耦合变压器的设计

6.2.2整流和联接模式

6.3微机电系统无线能量传输试验及分析

6.3.1微机电系统无线能量传输试验

6.3.2负载试验分析

6.4本章小结

结论与展望

主要工作和结论

本文特色与创新点

展望与设想

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢