研究背景
传统心脏起搏器依赖锂电池为设备供电，当体内电池电量耗尽，须要进行二次手术改换，不仅加重了患者的经济包袱，同时存在二次传染等安全隐患，磁耦合谐振式无线电能传输技能（MCR-WPT）的涌现，为办理心脏起搏器持续供电问题供应了新的方案，但由于MCR-WPT系统的二次侧部分植入体内，发射线圈和吸收线圈难以实现同轴对准，导致系统传输效率低，充电韶光长。
论文所办理的问题及意义本文针对心脏起搏器无线供能系统传输效率低和抗偏移能力差的问题，设计了一种稠浊磁负超材料阵列，依赖磁负超材料周期性构造产生的LC谐振汇聚发射线圈与吸收线圈之间的磁场，增强线圈间的耦合效果。
相较于目前MCR-WPT系统传统的抗偏移方法，如闭环掌握技能、改进补偿网络等，超材料在提升MCR-WPT系统抗偏移能力上具有独特的上风，利用超材料的倏逝波增强特性，无需增加繁琐的掌握手段和繁芜的磁耦合机构即可提升MCR-WPT系统的抗偏移能力，极大降落了系统繁芜度以及制作本钱，更适宜运用于植入式医疗设备无线供能系统。
1．MNG基元设计
图1 MNG基元构造图
利用六边形FR-4基板作为基元底板，组成的MNG阵列构造稳定且面积利用率高，将双层反向金属螺旋分别印刷于FR-4基板两面，金属螺旋最外圈通过过孔串联得到更大的等效电感，最内圈通过过孔与集总电容串联，利用集总电容代替基元自身较低的匝间电容，通过调度集总电容参数可以得到不同谐振频率的MNG基元。
2.稠浊MNG阵列设计
图2 基于稠浊MNG阵列的MCR-WPT系统示意图
当MNG基元处于事情频率时，自身负磁导率越大，对磁场的汇聚浸染越强，同时对系统造成的磁损耗也越高；因此本文根据MCR-WPT系统不同位置漏磁情形，利用两种负磁导率的基元构成稠浊MNG阵列，如图2所示，对付系统漏磁相对较小的中央位置利用磁损耗较低的MNG基元1，系统漏磁较大的外围利用聚磁能力较强的MNG基元2，增强MCR-WPT系统传输效率、抗偏移能力的同时，最大限度降落引入MNG阵列造成的磁损耗。
3.仿真及实验验证
利用有限元软件建立传统MCR-WPT系统与加入稠浊MNG阵列的MCR-WPT系统模型进行仿真剖析，系统磁场分布如图3所示：
图3 传统系统与加入稠浊MNG阵列的MCR-WPT系统的磁场分布比拟
仿真结果表明，发射线圈与吸收线圈间距20mm的情形下，传统MCR-WPT系统吸收线圈附近磁场分布范围小，磁场强度低；加入稠浊MNG阵列后，超材料的磁场折射能力使得更多的磁力线穿过吸收线圈，增强了线圈间的耦合效果，解释本文提出的稠浊MNG阵列可以有效降落MCR-WPT系统漏磁，提升系统传输效率。
为了考验稠浊MNG阵列的聚磁性能，搭建了心脏起搏器无线供能系统实验平台，如图4所示，该系统由直流电源、逆变模块、发射模块、吸收模块、整流模块、负载、稠浊MNG阵列及测温模块组成；同时为准确评估系统的安全性，加入仿照温升实验，利用1mm猪皮、2mm脂肪以及5mm猪肉仿照人体胸部组织，利用2mm亚克力板搭建了30cm×30cm×60cm的密闭空间减少外界环境的滋扰。
图4 实验平台
实验结果表明，与传统MCR-WPT系统比较，在线圈间距16-28mm情形下，加入稠浊MNG阵列的MCR-WPT系统输出电压、电流明显增加，系统传输效率从8.53%-43.15%提升至40.78%-57.32%；同时对吸收线圈不同偏移情形下的MCR-WPT系统进行传输性能测试，当系统吸收线圈分别发生x轴偏移、y轴偏移以及x、y轴对角线偏移时，加入稠浊MNG阵列后，系统的传输效率分别提升15.05%、18.13%、20.57%提升了MCR-WPT系统的抗偏移能力。
通过仿照温升实验可知，加入稠浊MNG阵列的MCR-WPT系统在30min内系统最大温升为3.49°C，不会对人体安全造成影响。
结论本文设计了一种运用于300kHz心脏起搏器无线供能系统的稠浊MNG阵列，利用超材料的磁负特性增强MCR-WPT系统的传输性能，通过仿真及实验验证了稠浊MNG阵列强聚磁、低损耗的特点，同时建立人体上身三维模型进行了系统安全评估，仿真打算了人体各组织的电场强度和比接管率峰值，末了通过温升实验进一步验证系统安全性、可行性。
团队先容辽宁工程技能大学辽宁省高校工矿电气设备与电力电子技能重点实验室，承担国家自然科学基金项目8项，省级纵向课题48项，企业委托横向课题54项，揭橥学术论文400余篇，授权专利28项。
陈伟华：副教授，硕士生导师，研究方向为无线电能传输技能、旗子暗记处理与模式识别。侯海涛：硕士研究生，研究方向为无线电能传输。闫孝姮：副教授，硕士生导师，研究方向为无线电能传输、电磁探测与成像。本文编自2023年第4期《电工技能学报》，论文标题为“基于稠浊磁负超材料的心脏起搏器无线供能系统”。本课题得到2020年辽宁省教诲厅科学研究青年科技人才“育苗”帮助项目的支持。
