基于弛豫铁电单晶复合材料的磁电无线供电技术研究.pdfVIP

摘要

近年来在“十四五”计划的指导下，国家积极推进医疗卫生系统的现代

化，植入式医疗设备出现了前所未有的增长趋势，对植入式医疗设备长期可

持续无线供电和克服有限电池容量的需求已成为当务之急。然而目前无线供

电技术中非电磁方式输出功率有限、效率较低，常见的电磁方式工作频率通

常较高，且传输功率高度依赖于线圈的相对位置。相比之下，基于磁电耦合

的无线供电系统能够在组织吸收率较低的低频段低振幅磁场下工作，并且对

发射端与接收端的方向性与对准要求较低。磁电耦合技术或许会成为植入式

医疗设备的一个有前景的解决方案。

针对传统无线供电方式面临的种种难题，本文提出了基于弛豫铁电单晶

复合材料的磁电无线供电系统。首先构建包括发射线圈与接收端磁电复合材

料无线供电系统的等效电路模型，将高电导率介质对系统的影响等效为特定

的电路元素，建立无线供电系统在高电导率介质中的运行模型。然后，探究

中继线圈的加入对无线供电系统的影响，建立该多线圈系统高电导率介质中

的等效电路模型，并根据模型推导出多线圈系统的效率公式，通过计算分析

各参数对系统能量传输性能的影响方式。使用COMSOL软件仿真分析发射

线圈与中继线圈之间距离改变对磁场分布的影响，从而进一步影响系统能量

传输效率。

高性能的接收端是实现无线供电系统高效率传输的关键。因此对磁致伸

缩层材料、压电层弛豫铁电单晶材料进行性能测试，随后制备磁电复合材料

并进行效率测试。探讨磁电复合材料退火实验中退火温度、退火与未退火层

数比例对磁致伸缩层性能的影响，通过退火实验实现材料的自偏置效果，以

达到接收端无需永磁体的目的，利于接收端的小型化与系统的适应性。最后，

完成无线供电系统的器件选型、实物搭建以及接收端的封装设计，并着重对

单线圈系统与中继线圈的多线圈系统的性能进行测试分析，主要包括空载测

试，带载情况下功率与效率测试，位置偏移影响等。

关键词：弛豫铁电单晶；磁电耦合；多线圈；无线能量传输

Abstract

Inrecentyears,guidedbythe14thFive-YearPlan,thenationhasactively

pursuedthemodernizationofitshealthcaresystem.Therehasbeenan

unprecedentedgrowthtrendinimplantablemedicaldevices,andtheurgentneed

forlong-termsustainablewirelesspowersupplyandovercomingthelimitations

ofbatterycapacityforthesedeviceshasemerged.However,currentwireless

powertransfertechnologiesfacelimitations;non-electromagneticmethodsoffer

limitedoutputpowerandlowefficiency,whilecommonelectromagneticmethods

typicallyoperateathighfrequenciesandtheirtransmissionpowerheavilyrelies

ontherelativepositioningofcoils.Incontrast,wirelesspowersystemsbasedon

magnetoelectriccouplingcanoperateinlow-frequency,low-amplitudemagnetic

fieldswithlowtissueabsorptionrates,andrequirelessstringentalignmentand

directionalprecisionbetweenthetransmitterandreceiver