生物体内置电装置的外部供电模式研究

目前,生物体内置电装置普遍采用电池供电的电源模式,虽然电池容量在不断增大,但由于其没有实时能量补给,始终存在电量耗尽的窘境。非接触电能传输技术综合利用电磁感应耦合技术、现代电力电子能量变换技术、大功率高频变换技术(包括谐振变换技术和电磁兼容设计技术等),借助现代控制理论和方法,实现了电能从电源向设备安全、可靠的非接触传递。可为生物体内置电装置提供持续的能量供给。随着该技术的逐步发展,必定会进一步推动生物医电技术和装置的发展,具有重要的科学意义和研究价值。 本文以重庆市科委重点基金项目与重庆大学研究生科技创新基金项目为背景,主要研究适用于生物体内置电装置供电的非接触电能传输系统。 论文首先系统地概述了生物体内置电装置体外供电模式的国内外研究现状,并对非接触电能传输技术的基本原理与系统结构进行了分析。介绍了适用于非接触电能传输的新型逆变器结构及各种不同应用领域中的电磁耦合机构,总结了电磁耦合机构设计所应遵循的一般规律。详细分析了现有生物体内置电装置的电源特性及其供电模式,探讨了电池供电模式存在的问题,对交变磁场空间中电子器件的电磁屏蔽作了研究,并就其外部供电模式的可行性与生物安全性作了研究。接着提出了一套体外供电模式解决方案,着重研究了能量拾取机构方向性问题。主要包括三维空间瞬时匀强磁场、可任意转动的拾取机构、负载调压等几个方面,结合几何模型与电路结构两个方面推导了该拾取机构在不同角度下的输出电压能力,并就输出电压波动问题给出了合适的稳压措施。 为了验证理论分析的可行性,建立了系统模型,并用PSpice与Femlab进行相关仿真分析,得到了较佳的设计方案。最后根据前面相关研究对生物体内置电装置体外供电系统进行了样机设计,给出了相关电路的拓扑,并计算出了电路中的各参数。研制出实验样机并进行了大量实验,验证了理论计算和仿真结果,实现了三维空间可任意转动的非接触电能传输,达到了设计指标,为生物体内置电装置的体外供电技术及装置的进一步研究奠定了基础。