【《磁耦合谐振式系统研究的国内外文献综述》2600字】

磁耦合谐振式系统研究的国内外文献综述1.1课题研究国内外现状2006年，美国物理学会从原理上证明了磁共振无限供能技术实现无线电能传输的可能性。2007年麻省理工大学的实验装置能够将1.13m外的60w灯泡点亮，并且效率在40％以上，且发射和接受装置距离75cm时效率高达96％。并且通障性更好，发射和接受装置间的障碍物对装置的影响不大。缺点是发射和接受装置的线圈必须同轴或圆心偏离在一定范围以内，不然会造成传输效率的急剧下降或直接失谐。2004年，重庆大学为体内诊疗设计了一种无线供电装置，实现了直径30mm的发射线圈给直径10mm以内的接收线圈传递能量的案例。图2-1发射线圈与接收线圈示意图匹兹堡大学设计了一种频率可调的无限传能系统，并且成功进行了体外仿真实验。并尝试了发射和接收线圈尺寸相差较大的情况下提高传输效率实验，以及在此基础上的加大传输距离时的一系列研究。1.2磁耦合谐振式无线电能传输1.1.1电磁感应式供电电磁感应供电基于电磁感应耦合原理。电磁感应式标志是以使用铁芯等导磁材料，其驱动频率较低，一般在一百khz以下。其劣势是传输距离较近，属于紧耦合系统。其补偿方式不采用电容或使用集中电容进行补偿，且对距离和错位比较敏感。图2-2电磁感应无限能量传输原理图上图为电磁感应式无线电能传输机理示意图，其发射端与接收端各有一线圈，可以通过在发射端施加一定的交流电，使交变电流在线圈内产生磁场，然后将磁场能转化为接收线圈中的电能。1.1.2磁耦合谐振式供电磁耦合谐振式供电属于紧耦合，一般不需要用到铁芯，其谐振频率较高，一般为几百khz到几十Mhz，一般使用杂散电容进行补偿，且对距离和错位不敏感。由此可以得出在为生物植入体系统提供电能时，一般使用磁耦合谐振式供电上图展示了磁耦合谐振无限能量传输机理图，其比上一种供电方式加入了LC振荡电路、发射、接收补偿电容，前后级的谐振频率相同。当然，其主要原理，还是电磁感应原理。图2-3磁耦合谐振无限能量传输原理图1.1.3电磁辐射式供电电磁辐射式供电包括了微波式、激光式、射频式以及超声波式供电，其特点是传输距离远，即由传输距离远导致的能量损耗大。一般来说，对生物体内的微小型设备进行供电不考虑电磁辐射式供电，因为它对生物体的辐射较强，且通常造假极高。电磁辐射式无线电能传输过程通常为：电源产生电流，然后能量转换装置将电能转化为其他能量，通过发射装置，传播一段距离后由接收装置接收，再通过一个能量转换装置，将能量施加到负载上，实现电能的传输。1.3国内外磁耦合谐振式系统研究现状磁耦合谐振技术（MCR-WPT）技术凭借其坐在近场区传输的一大优势，以及传输距离跨度较大，传输功率可以达到几千瓦，电能传输效率可以达到90％等优势成为了当下，最热门的无线电能传输方式之一，因此国内外发展前景广阔。磁耦合谐振技术本质上也为电磁感应技术。2007年，麻省理工学院的MarinSoljacic团队首次在WPT方面取得了巨大的进展，利用此技术，点亮了2米外的一个60W灯泡，传输效率为40％，并以此提出了一个新概念MCRWPT，开启了新的WPT的研究方向。图2-4麻省理工大学无限能量传输实验图这在国内也掀起了研究热潮，目前国内河北工业大学、东南大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、湖南大学、福州大学、清华大学以及浙江大学学都展开了系列研究。2014年，斯坦福大学利用无线系统，把能量传输到米粒大小的木片上，提供了为体内医疗芯片提供能量的安全方法，为新型减轻疼痛的体内电子设备如起搏神经刺激器及其他新型传感器和设备供电问题铺平了道路。且已经在猪、兔子中测试成功。图2-5斯坦福大学研究成果图斯坦福大学FanShanhui领导的科研小组发现传输距离达到1.98m时，传输效率仍然能达到97％，目前，他们正在研究电动汽车无线充电，提出了驾驶充电的概念，和在6.5英尺（约1.98米）距离内实现10KW的无线电能传输。无线充电技术目前已经广泛运用与生活之中，充电的功率从小于1W到大于10kw。最常见的无线充电技术体现在手机无线充电中，2009年，Palm公布其首款手机PalmPre，这是世界上第一款运用无线充电技术给手机充电的智能手机，充满电需要一个小时四十分钟。2011年日本NTTDocomo发布了世界上第一款支持Qi标准协议的无线充电手机，紧接着诺基亚HTC都加入了无限充电行列。然而无线充电的愿景，是无需配对、无论何时何地、无需找到兼容的插座、线缆，就可以对电子设备进行充电。目前的手机无线充电技术远没有达到这个目标：它首先需要将设备放在专属的充电板上，并且要将手机对准指定位置。如果将金属如硬币、钥匙一同放在充电垫上，将会导致金属制品发热，除了会带了充电速度慢、还将会由于金属制品发热，带来一定的安全隐患。这就是紧耦合技术。因此，松耦合技术将可以克服紧耦合的种种缺点，。目前无线充电的三大联盟：无线充电联盟WPC(WirelessPowerConsortium)/Qi、电力事业联盟PMA(PowerMattersAlliance)以及无线电力联盟A4WP(AllianceforWirelessPower)有其不同的技术方向。Qi和PMA采用的技术为磁感应技术，而A4WP采用额技术为非接触式充电的磁共振技术，即松耦合无线充电技术。目前，国内的研究内容还集中在传输机理、传输特性的分析中，以及基于此的中小功率实验验证等基础研究中。未来无线电能的研究方向，主要分为四个方面：1.提高电能传输功率。目前，低功率5W或以下的无线充电已经有了统一标准，有包括HTC、三星、诺基亚等145家公司加入了无线充电联盟。接下来为千瓦级的，适用于电动汽车的无线充电标准产生。1.增加传输距离。WPS提出的Qi标准中，传输距离为5mm-40mm，对于远距离传输，目前可以通过增加中继线圈实现。3.提高传输效率。目前，磁感应耦合式无线电能传输效率已经达到90百分之，但是有条件：1.发射线圈与接收线圈完全对准1.两个线圈间的距离很小。因此接下来需要解决的问题有1.如何避免传输效率随线圈距离增加而快速下降1.如何在线圈距离发生变化时，还使系统一直保持处于谐振状态3.如何进一步提高线圈的传输效率。4.减少传输过程中环境的影响。无线电能传输过程中，两线圈之间不可避免会有其他非接收物存在，如何减少这些物体对电能传输的影响。参考文献[1]田云杰,卓俊骐,王磊,沙洪.植入式实验动物血糖动态监测装置的设计[J].国际生物医学工程杂志,2016,39(05):276-281.

[2]田云杰.基于无线供电的植入式动物血糖监测系统的研究[D].北京协和医学院,2017.

[3]费泰然.植入式神经刺激器无线供电与无线通信系统研究与设计[D].合肥工业大学,2019.

[4]周俊楠,何苗,熊德平.基于无线供电全植入式光遗传系统及优化[J].电子设计工程,2019,27(03):26-30+35.

[5]许刚.无线无源柔性电化学传感器件及其在生物医学中的应用研究[D].浙江大学,2020.

[6]钱柏霖,任朝晖,朱亚光,左锐,白谦睿,张旭.植入式无线能量传输系统[J].北京生物医学工程,2017,36(02):170-176.

[7]WangG,PoscenteMD,ParkSS,etal.WearableMicrosystemforMinimallyInvasive,Pseudo-ContinuousBloodGlucoseMonitoring:Thee-Mosquito[J].IEEETransactionsonBiomedicalCircuitsandSystems,2017,11(99):979-987.

[8]Julian,Moore,Sharon,etal.ApplicationsofWirelessPowerTransferinMedicine:State-of-the-ArtReviews[J].AnnalsofBiomedicalEngineering,2019,47(1):22–38.

[9]XuD,ZhangQ,LiX.ImplantableMagneticResonanceWirelessPowerTransferSystemBasedon3DFlexibleCoils[J].Sustainability,2020,12.

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