[发明专利]医疗植入器件无线能量传输系统中互感系数的优化设计方法

权利要求书

1.一种医疗植入器件无线能量传输系统中互感系数的优化设计方法，其特征在于，具体步骤为：

(1)设立正对准情况下的WPT模型的初始值：包括接收线圈几何形状的初始值：线圈半径R₂，线圈匝数n₂和导线半径r₂，以及接收线圈与发射线圈的间距h；

(2)基于互感系数M，优化发射线圈参数，这些参数包括发射线圈内径R_in，外径R_out，和发射线圈匝数n₁；

(2.1)优化参数为发射线圈的平均半径R_av，限制条件为接收线圈的几何形状尺寸，以及接收线圈与线圈间距h；

(2.2)优化参数为发射线圈的匝数n₁和发射线圈内外半径差b，限制条件为步骤(2.1)优化得到的发射线圈的平均半径R_av；

(3)将以上正对准情况下的、使用仿真软件优化得到的WPT模型结果，用M的理论计算或实验结果验证；

(4)基于互感系数M，优化未对准情况下的WPT模型：

优化参数为接收线圈与发射线圈轴线水平方向距离的偏差d₀和接收线圈在垂直方向上的角度偏差θ；限制条件为优化得到的WPT模型的线圈尺寸及间距。

2.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，步骤(2.1)中所述优化参数发射线圈的平均半径R_av的具体步骤为：将发射线圈与接收线圈正对准，固定接收线圈的位置和几何形状尺寸，改变单匝发射线圈的R_av，仿真研究R_av从5mm连续变化到27mm时，线圈间距h＝20mm的WPT模型的互感系数M，得到在以上限制条件下使系统M值最大的R_av；

步骤(2.2)中所述优化参数发射线圈的匝数n₁和发射线圈内外半径差b的具体步骤为：将发射线圈的R_av固定为步骤(2.1)中优化的结果，研究发射线圈的匝数n₁从3匝连续变化至7匝，线圈内外半径差b从6mm连续变化至12mm时，WPT模型的互感系数M，从而得到能使M最大化的发射线圈内外半径和线圈匝数。

3.根据权利要求2所述的优化设计方法，其特征在于，步骤(3)中所述将以上正对准情况下的、使用仿真软件优化得到的WPT模型结果，用M的理论计算或实验结果验证；实验结果通过矢量网络分析仪进行测量，具体步骤为：将线圈通过一对螺纹针孔连接器SMA连接到矢量网络分析仪上，利用去嵌入式校准的方法减小SMA连接器产生的磁干扰对实验结果的影响；该方法从原始被测设备的测量中减去测量夹具产生的寄生参数；设测量得到的原始S参数表示为S_dut，可转换为导纳参数Y，其关系如下:Y_dut＝(G₀-S_dut)(Z₀·S_dut+Z₀)^-1；其中G₀为单位矩阵，Z₀为各端口的特征阻抗矩阵，表示为50G₀；类似的，用将线圈开路和短路得到的S_short和S_open转化为Y_short和Y_open；去除寄生电容耦合和自电容后，系统的Y参数表示为:

Y＝[(Y_dut-Y_open)^-1-(Y_short-Y_open)^-1]^-1，

将得到的Y参数转为Z参数(Z＝Y^-1)后，得到互感系数的结果，