用于胃肠道机器人的C型组合式无线能量发射线圈的设计与实验

现有适用于胃肠道机器人的无线能量传输系统的能量传输效率低、接收功率低且接收能量的位置均匀性差,无法满足功能复杂的新型胃肠道机器人的能量需求。本文提出了一种新型C型组合式发射线圈结构,通过有限元仿真分析供能单元组的磁感应强度大小和位置均匀性,确定供能单元组中线圈对间距的实验优化范围。最后搭建实验平台,优化供能单元组中线圈对间距,通过系统的能量传输效率、接收功率以及接收功率的位置均匀度对设计进行评估与验证。实验结果表明：当线圈对间距为150 mm时,中心位置的接收功率为1 165.34 mW,系统的能量传输效率为6.08%。系统的平均功率约为1 100 mW,平均能量传输效率达6%以上,接收功率的平均位置均匀度达94%。新型C型结构磁芯以及采用同一时刻只有一个供能单元组工作的组合式线圈结构,极大地改善了系统的接收功率与能量传输效率,并有较高的接收能量的位置均匀性。     

线圈耦合器轴向磁场分析

线圈的设计是磁耦合无线电能传输系统能否进行高效传输的重要环节。为研究目前无线电能传输系统中比较常用的螺旋线圈耦合器间轴向距离的变化对磁场的影响,分别根据圆环线圈和螺旋线圈轴向磁场公式,借助有限元仿真软件分别对圆环线圈和螺旋线圈轴向磁场进行仿真,分析圆环线圈和螺旋线圈轴向距离对磁场的影响,为设计线圈耦合器提供一些思路。     

超磁致伸缩驱动器驱动磁场仿真分析

为了充分发挥超磁致伸缩驱动器的特性,提高超磁致伸缩驱动器驱动磁场的性能,通过采用电流励磁法,建立基于磁感应强度为控制变量的单层空心线圈、多层空心线圈和带超磁致伸缩棒的多层线圈的轴线磁感应强度数学模型,分析超磁致伸缩棒、线圈长度和线圈半径对驱动磁场的均匀性和驱动磁场大小的影响.仿真结果表明,减小超磁致伸缩棒与驱动线圈之间的气隙,能提高驱动磁场的线性度;在满足设计要求的范围内,增加线圈长度,减小线圈半径,能够提高驱动磁场均匀性;仿真结果对超磁致伸缩驱动器驱动磁场的设计提供了一定的理论依据.     

磁耦合共振无线能量传输系统建模与分析

为探索磁耦合共振无线能量传输机理,研究传输参数与传输性能间的关系,基于互感耦合理论,建立了磁耦合共振无线能量传输系统的电路模型,推导出系统共振角频率解析表达式,揭示了共振角频率随收发端距离由近至远过程中,由一个分裂至两个又恢复至一个的规律;指出因空心线圈的低耦合系数特性,工程中仅会观察到由两个合并为一个的过程.利用OrCAD仿真软件和实验手段对系统传输特性进行仿真分析和实验研究,结果显示系统传输特性的变化规律与理论分析相吻合,所求得的共振角频率数学公式的计算精度高,与仿真结果误差在±1％以内,能够准确描述系统的能量传输特性.所建模型为高效率磁耦合共振无线能量传输系统的设计提供了理论支持.     

用于肠道机器人的螺旋式平板发射线圈对设计

传统的肠道机器人无线能量传输系统发射线圈普遍采用中空圆柱体轴向绕线的方式,空间占用体积较大,限制了被检查者的活动空间,绕制复杂.本文提出了一种用于肠道机器人松耦合无线能量传输系统的发射线圈结构,由方形螺旋式绕制的平板线圈对组合而成,极大缩减了线圈的轴向长度,有效减少了发射线圈的体积,线圈结构更为简单轻薄.介绍了无线能量...     

电磁冲击加载平板线圈的有限元分析

电磁冲击加载中,成形线圈是电能转化为磁场能的载体,使毛坯产生塑性变形的关键部件。介绍了平板线圈电磁驱动基本原理,通过ANSYS多物理场模拟平板线圈的简化模型,系统研究了线圈几何参数对轴向电磁力的影响;探讨了线圈驱动下驱动片上所受轴向电磁力分布规律及线圈参数对成形设备能量利用率的影响。仿真结果显示:随线圈匝数增加电磁力呈指数增加,随匝间距的增加呈指数减少,随起点距呈近似指数减小;轴向电磁力在线圈距中心轴2/3区域达到最大值;减小电感值有利于提高成形效率。     

静态偏置磁场对电磁超声换能器灵敏度的影响

电磁超声换能器(Electromagnetic acoustictransducer,EMAT)灵敏度低,其静态偏置磁场是影响EMAT灵敏度的关键因素.为提高EMAT的灵敏度,利用有限元软件ANSYS计算EMAT中永磁体产生的磁感应强度,得到磁感应强度的分布规律,并结合试验方法获得永磁体的优化结构参数,以指导EMAT结构的优化设计.研究结果表明,当永磁体与线圈的间距减小时,超声振动回波幅值增大,但对线圈干扰加大,在两者之间取折中能够得到较高信噪比的回波信号;永磁体厚度对换能器灵敏度产生严重影响,当厚度增大,磁感应强度增强,但趋势逐渐变缓.聚磁板的应用有利于集中磁感应强度,提高回波信号的信噪比.     

基于微线圈阵列的多道神经电刺激信号透皮传输的初步实验研究

通过探索微线圈阵列实现多路神经电刺激信号透皮传输的可行性及影响传输效率的相关因素.根据电磁耦合原理,设计了包括脉冲发生、高频振荡、AM调制、功率放大、选频等刺激信号发射电路,信号接收电路,以及用于多通道信号耦合的微线圈阵列和相应实验测试装置.实验中对电路的性能以及线圈发生横向失配和角形失配时电路的可靠性进行了测试,在此基础上设计了2×2阵列的多通道传输装置.结果表明在调谐网络的作用下通道间信号的干扰较小,各通道输出信号能满足神经电刺激的要求.该方法经试验验证具有可行性,可用作各类植入式医疗仪器刺激或者控制信号的多通道传输装置,具有广泛的应用前景.     

面向最优效率的潜标耦合电能传输系统

将耦合电能传输技术应用于潜标系统,能够为其携带的通信信标,提供无电气接触的充电功能。但由于信标与潜标的间距会发生变化,导致系统处于偏谐振状态,系统效率降低。本文首先分析耦合线圈随间距变化的规律,并对系统进行建模,分析系统偏谐振状态下线圈耦合效率与频率的关系;利用仿真验证了通过搜索算法调整工作频率,实现系统效率提升的可行性;建立线圈间距可变的系统样机,验证搜索算法对于系统效率提升的有效性。实验表明,当线圈间距变化时,搜索算法能够实现系统效率的提升。粒子群搜索算法的最大效率相对定步长扰动观测法提升3%,并且受到初始中心频率的选择影响较小,具有很好的鲁棒性,能够用于提升系统在线圈间距变化时的传输效率。     

多维无线能量传输系统的设计与优化

为实现胃肠道胶囊机器人多维无线能量传输,减小接收线圈的绕制维度、体积与产热,设计了一种双维正交矩形螺线管对发射线圈结构。可通过控制不同组发射线圈的电流来改变合成磁场方向,同时该结构发射线圈内部可嵌入磁芯,其线圈间距也可根据检测者体型灵活调整,减小功率损耗。建立了所构建无线能量传输系统的理论模型,通过有限元仿真验证磁芯对系统性能的提高,最后通过搭建实验平台进行测试,优化了单维接收线圈的参数,同时实验验证了该系统在不同发射线圈间距下的可行性。实验结果表明,在线径为0.05 mm的条件下,所构建系统接收线圈的最佳绕制股数为12,优化后的匝数为120。当发射电压为15 V,发射线圈间距为300 mm的条件下得到的中心最小接收功率为1 578mW,能量传输效率为3.85%。该系统在300～500 mm发射线圈间距下均可满足胶囊机器人的功率需求。