电磁学小论文定稿---PB10206119

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1、针对生物体内诊疗装置的体外无线供能——无线能量传输的几点探究摘要：无线能量传输或无线功率传输，是指能量从能量源传输到电负载的一个过程，这个过程不是传统的用有线来完成，而是通过无线传输实现。本文旨在利用电磁感应定律的理论基础设计一种体外无线供能装置，并且对影响其工作效率的因素进行简单分析与评估。再最后拓展了一下其应用领域和几个典型示例。　无线电能传输(WirelessPowerTransmission———WPT)即借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术。简单说，就是指能量从能量源传输到电负载的一个过程，这个过程不是传统的用有线来完成，而是通过无线传输实现。无线

2、输电分为:电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式。电磁感应可用于低功率、近距离传输;电磁共振适于中等功率、中等距离传输;电磁辐射则可用于大功率、远距离传输。作为一种点对点的能量传输方式．WPT具有以下特点：l.能量源和耗能点之间的能量传输系统是无质量的2.以光速传输能量3.能量传输方向可迅速变换4.在真空中传递能量无损耗5.波长较长时在大气中能量传递损耗很小6.能量传输不受地球引力差的影响7.工作在微波波段．换能器可以很轻而随着目前医疗技术的发展进步，各类有着不同特殊用途的诊疗设备得以研发推广和使用，这些设备往往是需要植入或者导入人体或者其它生物体内的。随之而来产生了

3、一个问题：这些设备采用微型电池作为能源，供给电能。但微型电池寿命有限，同时含有化学物质对人体安全有潜在威胁。那么，如何才能得到一种更加安全，但同样有效的供能手段呢？这里，我们可以试着提出使用无线能量传输的方式，利用电磁感应的相关理论解决这一问题。目前无线电能传输方式主要分为三类：1.微波能量传输技术。功率一般在100mW以下。对于植入式体内微机电系统，功率太大可能会损害人体，不适用于较大功率的体内微机电系统。2.超声波能量传输。超声波是一种机械波，具有很强的方向性，超声作用于人体会产生一系列生物效应，其主要表现为空化效应、机械效应、热效应、触变效应以及弥散效应等。

4、3.感应电力传输技术。它是利用现代电力电子控制技术和磁技术，通过气隙电感的磁感应耦合来传递能量，其应用场合很广，可以传输较大功率，而对人体无伤害。这里我们选择第三类，感应电力传输。其理论基础是法拉第的电磁感应定律：当线圈处于变化的磁场中时，线圈中会有感应电流产生，根据公式：可知感应电动势的大小和线圈内磁通量变化的速率成正比。根据这个原理，可以设计相距一段距离的发射线圈和接受线圈，通过高频信号发生器，利用高频功率放大器使得发射线圈上产生较大的电流，从而在发射线圈周围产生高频磁场。接受线圈感应到高频磁场后，就会产生感应电动势，这样就实现了能量的无线传输。发射线圈和接受

5、线圈组成一个无接触变压器模型。再通过补偿电路来改善和提高系统的输出功率和传输效率。为了降低初级系统（即图中的体外系统）的功率要求，在初级能量产生系统中加入补偿电容。补偿电容与初级线圈的连接方式为串联。其基本结构示意图如图1.、根据电磁感应原理，在初级线圈上产生高频正弦交流电，在次级线圈上得到感应高频交流电，为了得到较好的稳恒直流源，满足体内微机电系统的能量需要，通过整流将交流电转化为直流电。转化的直流电经过滤波电容滤波，产生较光滑的波形。在电压滤波之后，需再引入稳压环节，降低纹波系数，从而得到更稳定的稳恒电流。线圈间的耦合程度决定了能量传输的大小和效率，耦合程度由

6、耦合系数量表示，耦合系数表明两个导体之间的耦合能力，定义为：其中：M为线圈间的互感，L1、L2为线圈自感。对无线能量传输的过程探究，我们可以建立如图2.的互感模型图中，Lp和Ls分别为发射线圈和接受线圈；Cp和Cs分别为初级和次级补偿电容；Rp和Rs分别代表发射线圈和接受线圈的内阻；Up是加在发射线圈上的等效交流电流；Rl是等效负载阻抗。我们不妨假设Up为理想的正弦交流电压，其频率为。则由基尔霍夫回路电压方程，可以得到整个系统在工作时，次级边的谐振频率为而系统的工作电源频率应与之相同，即有:将这一关系代入上面的式（1），（2），可以解出2在这里，我们定义能量传输效

7、率为负载功率和电源功率的比值，则可以得到又=2计算得到式中，M为发射线圈和接受线圈的互感。从以上式（6）中我们可以看出，能量传输效率与工作频率、互感系数和负载电阻成正比，而与原边线圈内阻Rp和副边线圈内阻Rs成反比。要提高传输效率，需要增大工作频率、互感系数和负载电阻，减小原边线圈内阻Rp和副边线圈内阻Rs。，当电源频率增大到一个很大的值，约为100时，效率随电源频率的增加就很小，而且由于金属的趋肤效应，线圈内阻会随频率的增加而增大，所以，不能太高；但是两线圈的互感系数反映了原、副边之间的耦合能力，理论上与原、副边匝数无关，只与线圈的几何形状、周围的磁性材料以及它

8、们之间的相