微机电无线能量传输系统松耦合变压器特性分析

微机电无线能量传输系统松耦合变压器特性分析

胶囊内镜系统体内微电听器主要用于测量和治疗人体生理和生化参数，反映微生物和无创病的医学概念，是21世纪医学发展的主要方向之一。例如，以色列given-imagin公司开发的m2a胶囊内镜被用于胃肠道检测。另外韩国微系统智能中心MiRO#1型胶囊内窥镜系统已研制成功,2004年重庆金山科技集团成功研制出了第一代OMOM胶囊型内窥镜。但是上述类型内窥镜均采用微型电池供电能,存在一些问题,比如供能时间有限,安全性等。为了弥补传统供电方式不足,提出了一种新型的安全能量供给方法:体外无线能量传输技术。目前,以电磁感应为基础的无线能量传输技术日益发展。本文研究了初次级绕组位置、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。1高频电源系统体内微机电无线能量传输系统主要利用耦合式电磁感应原理,电磁耦合结构相当于一个松耦合变压器,其构成如图1所示,工频交流电经整流且逆变成高频交流电提供给初级回路,高频电流通过初级线圈,根据电磁感应定律,次级线圈两端产生感应电动势,为用电负载供应电能,实现电能无线传输。初次级回路之间不存在物理连接,存在一段间隙,通过电磁场耦合相联系,该耦合是松耦合,漏感较大,不能忽略不计。1.1麦克斯韦方程的辅助方程无线能量传输系统松耦合变压器结构具有对称性,可以简化为二维问题来考虑,其初级线圈输入是高频正弦电流,属于时谐电磁场。假定电磁耦合结构所有时变电磁场量可表述为如下形式:根据电磁场的费塞表示可得:因此麦克斯韦方程组可以表述为辅助方程为:这里,E是电场强度;D是电位移;B是磁通密度;H是磁场强度;J电流密度;ρ是电荷密度;ε是介电常数;µ是磁导率;σ是电导率。在式(5)中,B具有无散性,因此可以描述为:这里,A为矢量磁位。矢量磁位规定了旋度之外,还要规定它的散度,在时谐电磁场情况下,通常规定:在上式中,φ为标量位,应满足方程:根据式(4)-(7)可得:记复电流密度:复电流密度沿着导体界面上的积分等于导体上流过的总电流,即有:利用式(8)和(10)可以对电磁结构进行有限元分析计算矢量磁位A和标量位φ。1.2导电耦合能力Ansoft有限元软件通过磁场能量的角度计算电感,包括自感和互感。电感计算式如下:这里Wij是导体i与j间的能量;I是导体中的电流;Bi是导体i中流过单位电流时的磁通密度;Hj是导体j中流过单位电流时的磁场强度。耦合系数表明两个导体之间的耦合能力,定义为:式中,M为导体间互感;L1和L2为导体的自感。1.3初次级线圈模型建立无线能量传输系统的松耦合变压器初次级线圈绕在E型铁芯上,中间是空气气隙。体内微机电系统变压器模型是根据体内微机电系统要求来设计的,其物理模型和基本尺寸如图2示。该模型左右对称,因此计算1/2区域即可,如图3所示。采用涡流场对变压电磁场进行分析,铁芯材料一般有硅钢片,非晶合金,和铁氧体,考虑到工作频率为20kHz之间,并且高电阻率,涡流损耗低,所以选择铁氧体,相对磁导率为1000;线圈材料为铜,气隙为空气,左边界条件为奇对称,其他边界为气球边界条件。初次级线圈匝数分别为10和5匝;初级线圈施加正弦电流,次级线圈不施加电流,通过电磁感应可以感应电动势。然后进行计算求解,可以计算矢量磁位、标量位、磁感应强度、自感互感和耦合系数等。2变量参数仿真在无线能量传输系统松耦合变压器中,主要参数有:初次级绕组位置、气隙、水平位移、铁芯和工作频率等,通过仿真来讨论和分析这些参数对变压器初次级绕组电感和耦合性能的影响。2.1仿真结果分析对下图所示两种线圈绕组位置方式,分别进行电磁仿真,其磁力线分布如图4所示。从仿真结果可以看出(图a),第一种绕组方式磁力线漏磁较多,励磁较少,耦合系数为0.6338,较低;图b所示第二种绕组方式磁力线漏磁较少,励磁较密集,耦合系数为0.8112。因此后一种绕组方式较好,增加了耦合系数,从而提高了系统性能。2.2耦合系数和互感的变化图5和图6为耦合系数、初次级自感和互感随着气隙变化曲线。根据仿真结果可以看出,随着气隙的增大,在0-5mm内,耦合系数,自感、互感下降幅度很大;在5mm之后自感就基本上保持不变,但耦合系数和互感一直在不断减小,只是下降幅度小了很多。由此可见气隙对松耦合变压器的初次级电感,互感和耦合系数有很大的影响。因此,松耦合变压器设计的一个关键点在于保持气隙在一定的范围内变化,这样可保证较高耦合系数并且变化不大,保持较好的系统性能。2.3初次级绕组自感、互感和耦合系数的变化松耦合变压器初次级绕组之间水平位移x如图7所示。图8和图9分别为初次级绕组自感、互感和耦合系数随水平位移变化的关系曲线,随着水平位移增大,自感、互感和耦合系数逐渐下降,其中水平位移在6mm之后,自感降到一定程度后不再下降,但互感和耦合系数继续减小,不断接近零。2.4不同气隙下,耦合系数随气隙级的变化铁芯是变压器电磁耦合结构的重要部件,对变压器性能起着重要的作用。对于体内微机电系统松耦合变压器,为了考察铁芯对初次级线圈电感和耦合系数的影响,从下面三种情况来考虑:初次级线圈均有铁芯;初级线圈有铁芯,次级采用空心线圈;初次级均为空心线圈等。对这些情况进行仿真计算,图10为三种情况下初次级线圈的耦合系数随着气隙的变化曲线。从图中可以看出,随着气隙增加,耦合系数均下降。在同样的气隙下,初次级均有铁芯的情况下,耦合系数最高,初次级均为空心线圈时最低。初级有铁芯,次级空心线圈与初次级均是空心线圈情况比,耦合系数稍微高些,并且下降趋势缓慢些。从上面分析可知铁芯可大大增强初次级绕组的耦合性能。2.5频率的关系图11和图12表示松耦合变压器初次级电感和耦合系数与系统运行频率的关系。从图中可知,自感随着频率增大而减小,互感和耦合系数随着频率增大而增加,但基本上变化很微小,这说明电感互感和耦合系数与频率基本上无关,因而可以忽略交流与直流电感之间的差异。2.6第一阶段相互连接的电磁力初次级绕组相互间电磁力如图13所示。电磁力随着气隙变化,但其数量级在10-4牛顿,很小,因此对人体不会造成伤害。3系统运行频率对初次级绕组过滤线过滤特性的影响本文应用Ansoft有限元软件对无线能量传输系统松耦合变压器建立物理,对该模型下不同参数进行仿真计算和分析得到如下结论:(1)初次绕组位置尽可能靠近铁芯端部,可以提高电感和耦合系数;(2)初次级绕组自感随着气隙和水平位移的增大而下降,到一定距离之后(5-6mm)电感基本保持不变;但互感和耦合系数随着气隙和水平的位移增大一直在下降,在8-10mm时已经很小了,因此尽可能保持气隙和水平位移在