Weihua Chen; Jingtao Jia; Xiaoheng Yan; Yuhang Song; Jiayi Li
Liaoning Technical University, Xingcheng, Huludao, China
W. Chen, J. Jia, X. Yan, Y. Song and J. Li, "Wireless Power Supply Based on MNG-MNZ Metamaterial for Cardiac Pacemakers," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 8, no. 1, pp. 103-112, March 2024, doi: 10.30941/CESTEMS.2024.00011.
摘 要
针对心脏起搏器无线供电存在的功率传输效率低和磁场泄漏等问题，提出了一种基于MU-负(MNG)和MU-近零(MNZ)超材料的适用于植入式心脏起搏器的无线供电系统。 首先，通过理论计算建立了一种由中心MNG单元和周围MNZ单元组成的混合超材料。 然后，通过有限元仿真获得了MnG-MnZ超材料平板无线供电系统的磁场分布，验证了该系统的磁场分布优于常规MnG-MnZ超材料平板无线供电系统的磁场分布。 最后，搭建了无线供电系统实验平台，进行了功率传输实验和系统温升实验。 模拟和实验结果表明，在9.6mm、20mm、30mm和50mm处，功率转换效率分别由44.44%、19.42%、8.63%和6.19%提高到55.77%、62.39%、20.81%和14.52%。 人体环境下SAR仿真获得的最大SAR为-7.14dBm，接收线圈周围磁场强度最大减小2.82A/m。 30min充电试验最大温升为3.85°C，满足人体安全要求。
Abstract
To solve the low power transfer efficiency and magnetic field leakage problems of cardiac pacemaker wireless powering, we proposed a wireless power supply system suitable for implanted cardiac pacemaker based on mu-negative (MNG) and mu-near-zero (MNZ) metamaterials. First, a hybrid metamaterial consisted of central MNG unit for magnetic field concentration and surrounding MNZ units for magnetic leakage shielding was established by theoretical calculation. Afterwards, the magnetic field distribution of wireless power supply system with MNG-MNZ metamaterial slab was acquired via finite element simulation and verified to be better than the distribution with conventional MNG slab deployed. Finally, an experimental platform of wireless power supply system was established with which power transfer experiment and system temperature rise experiment were conducted. Simulation and experimental results showed that the power transfer efficiency was improved from 44.44%, 19.42%, 8.63% and 6.19% to 55.77%, 62.39%, 20.81% and 14.52% at 9.6 mm, 20 mm, 30 mm and 50 mm, respectively. The maximum SAR acquired by SAR simulation under human body environment was -7.14 dbm and maximum reduction of the magnetic field strength around the receiving coil was 2.82 A/m. The maximum temperature rise during 30min charging test was 3.85°C, and the safety requirements of human bodies were met.
作者信息
陈伟华，男，1980年生，黑龙江绥化人，工学博士，副教授，硕士生导师，辽宁工程技术大学电气与控制工程学院自动化系主任，研究方向为植入式设备无线电能传输技术，磁纳米粒子成像技术，接地网电阻抗成像技术等。
贾京韬，男，1996年生，辽宁沈阳人，工学学士，硕士研究生，研究方向为电磁超材料在无线电能传输系统中的应用。
闫孝姮（通讯作者），女，1984年生，辽宁鞍山人，工学博士，副教授，硕士生导师，辽宁工程技术大学电气与控制工程学院副院长，研究方向为磁纳米粒子成像技术，接地网电阻抗成像技术，植入式设备无线电能传输技术等。
宋宇航，男，1998年生，河北保定人，工学学士，硕士研究生，研究方向为无线电能传输系统中的磁集成技术。
李嘉懿，男，2000年生，辽宁辽阳人，工学学士，博士研究生，研究方向为植入式设备无线电能传输技术。
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《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE的执委Don Tan博士为国际主编。目前已被EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。
