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 (Wireless Power Transmission———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。
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：
???d?dt
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：
??MLL12
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
1LpCp1LsCs?0??
而系统的工作电源频率应与之相同，即有:
???0?1LpCp?1LsCs
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率?为负载功率和电源功率的比值，则可以得到
又?=2?f0
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?与工作频率和负载电阻
RL?0、互感系数M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
?0传输效率?，需要增大工作频率
、互感系数M和负载电阻
fRL，减小原边线圈
kHZ内阻Rp和副边线圈内阻Rs。，当电源频率0增大到一个很大的值，约为100
f时，
效率随电源频率0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，0不能太高；但是两线圈的互感系数M 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们之间的相对位置有关。而M的增大对?的影响较为显著，故而设法提
高发射线圈和接受线圈之间的互感M的影响因素及其对无线能量传输系统的效率的影响是设计一个优良的无线能量传输系统是很有必要的。
通过以上论述，我们已经粗浅地分析了无线能量传输过程中的基本概念和基本原理。此外，在设计初级线圈时，不同于通常状态下的可分离变压器的设计，必须考虑以
f下几个因素。
1.从高频效应对初级线圈所产生影响考虑，选择初级线圈导线的直径和绕制方式。
2.从系统对于安全性和可靠性的要求考虑，选择初级线圈的材料。
3.初级线圈和次级线圈之间气隙的影响。初级线圈位于体外，次级线圈位于体内，二者的气隙较大。如何增大气隙，是设计初级线圈结构时考虑的主要 内容。
4.系统的传输功率和传输效率。所设计的系统需传输足够的能量供给体内的微机电系统。
而次级线圈是次级能量接收系统的关键部分。它直接影响到系统传输功率的大小和传输的效率。次级线圈的设计，需考虑以下几个因素的影响。 1.通过考虑到高频效应对次级线圈的影响，选择次级线圈导线的直径和绕制方式。
2.体内微机电系统的允许尺寸和结构形式。在设计时，选择体内系统结构形式为胶囊形状，故在设计次级线圈时必须考虑其尺寸和结构。
3.所设计的系统需传输足够的能量供给体内的微机电系统正常工作。
4.体内微机电系统的特点在于初级线圈和次级线圈的相对位置在不断地发生变化，这给能量的稳定传输带来一定困难。如何稳定传输能量和保持系统的正常工作，是设计中必须考虑的。
无线能量传输在实际当中是有着很大应用前景的， 除了用于医学诊疗，如胶囊式内窥镜，全人工心脏的能量供应等，还可以推广至很多方面。比如无接点充电插座，因电动牙刷难免经常接触到水．采用无接点充电方式．可使得充电接触点不暴露在外，增强了产品的防水性。在充电插座和牙刷中各有一个线圈．当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用。利用电磁感应的原理来传送电力．感应电压整流后就可对牙刷内部的充电电池充电，诸如此类等等。