基于HFSS的PCB线圈无线传能系统仿真分析

摘要

随着人类社会的不断进步，人体植入式设备得到广泛的发展和应用，这也随之推动了植入式医疗电子设备的发展。在我国，每年大约有一万名心脏病人有可能需要进行植入式心脏辅助设备的植入手术来帮助心脏正常工作。在植入微型医疗设备后，人们不希望不断地开刀手术以更换植入式医疗设备的电池，这就需要采用非接触电能传输技术，也就是无线电能传输技术。
　　无线电能传输(WPT)技术是当前输电领域中的尖端技术，代表了最前沿的技术理论和最新颖的创意思路，与有线输电方式相比，具有更强的灵活性和更高的安全性。而能量传输线圈作为WPT系统的重要组成部分和关键单元，也是实现无线能量传输的关键所在。为了满足植入式医疗设备体积小的特点，印刷电路板(PCB)线圈已成为实现微型医疗电子设备无线电能传输的主流媒质。
　　本文设计了多种三层PCB线圈，利用三维电磁仿真软件HFSS对其进行模型构建、仿真计算和分析。通过对PCB单线圈的谐振频率、品质因数等电参数的仿真计算和实验测量，选出其中最适合作为人体植入式医疗设备无线电能传输线圈的几种。在此基础上搭建起WPT实验装置，并对该传能系统的能量传输效率、稳定性进行了仿真分析。仿真结果显示，所选PCB线圈能够作为人体植入式医疗设备的无线能量传输线圈，其传输效率在5mm时为59.59％，绕水平边轴旋转接收线圈对系统效率影响最大。

目录

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摘要

1 绪论

1．1 选题背景、研究意义

1．1．1 无线电能传输技术

1．1．2 几种WPT方式的简单分析

1．1．3 HFSS简介

1．2 国内外研究现状

1．2．1 电磁感应耦合式WPT技术

1．2．2 电磁谐振耦合WPT技术

1．2．3 微波式WPT技术

1．3 本文的研究内容和组织结构

2 耦合模理论

2．1 耦合模基本理论

2．2 简单LC谐振电路

2．3 振荡电路的模式转换

2．3．1 无损耗两耦合振荡电路的模式转换

2．3．2 有损耗两耦合振荡电路的模式转换

2．3．3 外加激励源的系统分析

2．4 本章小结

3 PCB单线圈

3．1 PCB线圈的制版与仿真模型的建立

3．2 基于HFSS的PCB单线圈关键电参数的仿真与实验测量

3．3 PCB单线圈参数优化

3．4 本章小结

4 基于磁耦合的无线电能传输系统

4．1 基于HFSS的PCB双线圈无线传能系统的仿真

4．2 PCB双线圈无线传能系统的效率及稳定性分析

4．2．1 阻抗分裂

4．2．2 无线传能系统的效率

4．2．3 无线传能系统稳定性仿真分析

4．3 本章小结

5 总结与展望

参考文献

附录

致谢

个人简历