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Simulation eines drahtlosen Stromversorgungssystems für Schrittmacheranwendungen

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Magnetostriction Modeling of Transformer's Noise
Thursday, December 16, 2021
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Drahtlose Energieübertragung (WPT)

Drahtlose Energieübertragung oder drahtlose Energieübertragung ist die Übertragung elektrischer Energie von einer Energiequelle zu einer elektrischen Last, ohne die Drähte miteinander zu verbinden. Der serbische Arzt und Ingenieur Nicolas Tesla ist der erste Wissenschaftler, der im Jahr 1899 damit begann, das Konzept der drahtlosen Energieübertragung zu erforschen und vorzuschlagen. Nikola Tesla konnte in seinem Colorado Springs Lab mithilfe elektrodynamischer Induktion drahtlos Glühbirnen zünden. Tesla hatte große Pläne, Elektrizität drahtlos über den Atlantik zu übertragen, was noch nicht geschehen ist.

Ein Bild aus Teslas Patent für eine
Abbildung 1 - Ein Bild aus Teslas Patent für eine "Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie", 1907. [1]

Die Technologie der drahtlosen Energieübertragung wird in Industrien auf der ganzen Welt immer weiter verbessert und verbreitet, ist jedoch noch ein relativ neues Phänomen. Die Abbildung 2 zeigt die Entwicklung des Marktes für die drahtlose Energieübertragung. 2012 waren es weniger als 1 Milliarde. Die Verbraucher (Telefone und Tablets) haben den höchsten Marktanteil. Im Jahr 2022 wird das Wachstum der drahtlosen Systeme auf über 5 Milliarden geschätzt, und die Teile der Automobilindustrie und der Verteidigungsindustrie werden auf den Märkten zunehmen [2].

Markttrends für drahtlose Energie
Abbildung 2 - Markttrends für drahtlose Stromversorgung [2]

Es gibt viele verschiedene Arten der drahtlosen Energieübertragung. Mikrowellenleistungsübertragung, induktive Kopplungsleistungsübertragung und Laserleistungsübertragungsverfahren. In diesem Artikel wird die induktive Energieübertragung (IPT) untersucht.

Das physikalische Prinzip des IPT besteht aus einer Sender- und Empfängerwicklung, die durch einen Luftspalt getrennt sind und einen Transformator bilden. Der Sender wird über einen Umrichter mit hochfrequenten Strömen versorgt. Das zeitlich veränderliche Magnetfeld induziert nach Fradays Induktionsgesetz eine EMF an der Empfängerwicklung. Die induzierte EMF erzeugt die Ströme, die direkt oder über ein Stromnetz an die angeschlossene Last übertragen werden.

Prinzip der induktiven Kopplung
Abbildung 3 - Prinzip der induktiven Kopplung [3]

Aufgrund seiner hohen Zuverlässigkeit, Effizienz und Geschwindigkeit kann das IPT in vielen Anwendungsbereichen wie Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Elektroautos können drahtlos aufgeladen werden, und diese Autos können Smartphones und Laptops drahtlos aufladen.

Drahtloses Aufladen der Batterie eines Elektrofahrzeugs
Abbildung 4 - Drahtloses Laden der Batterie eines Elektrofahrzeugs [4]

Es wird auch in der Medizin für implantierte und tragbare medizinische Geräte im menschlichen Körper wie Herzschrittmacher verwendet. Tragbare und implantierbare medizinische Geräte (WIMD) gewinnen zunehmend an Bedeutung und spielen aufgrund ihrer Fähigkeit, lebenswichtige innere Organe zu überwachen, zu stimulieren und zu regulieren und mit einem externen Wirt über den Zustand des Menschen zu kommunizieren, voraussichtlich eine wichtige Rolle bei der Rettung und Verlängerung des menschlichen Lebens Gesundheit dieser inneren Organe.

Herzschrittmacher regulieren den Herzschlag bei Krankheiten (Arrhythmie, unregelmäßiger Herzschlag); Wenn das elektrische System des menschlichen Herzens nicht richtig funktioniert, lässt der batteriebetriebene Herzschrittmacher das Herz durch einen elektrischen Impuls in seinen normalen Rhythmus zurückkehren. Die traditionellen Herzschrittmacher müssen aufgrund ihrer nicht wiederaufladbaren Batterien regelmäßig durch chirurgische Eingriffe ersetzt werden. Die Verwendung von Herzschrittmachern mit wiederaufladbaren Batterien nahm zu [5], [6] nachdem sie zuvor aufgegeben wurden. Eine externe Spule überträgt Strom an eine unter die Haut implantierte Empfängerspule. Die Empfängerspule liefert Energie für die Herzschrittmacherbatterie. In jüngerer Zeit wurden batterielose Schrittmacher in Zusammenarbeit mit der Rice University und dem Texas Heart Institute erfunden [7]. Diese Herzschrittmacher werden direkt in das Herz implantiert, da sie weder Kabel noch Batterie benötigen. Sie werden von einem externen RF-Funksystem gespeist. Beide zuletzt genannten Schrittmachertechnologien - mit kabellos geladenem Akku oder kabellosem HF-Stromversorgungssystem - können verschiedene Vorteile bieten, z. B. die Erhöhung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Schrittmachern, die Verringerung der Wartungsoperationen, die zu medizinischen Komplikationen (Blutungen, Infektionen) führen können, und eine flexible externe Steuerung des Schrittmachers usw.

Traditioneller implantierter Schrittmacher
Abbildung 5 - Traditioneller implantierter Schrittmacher [7]
Neu entwickelter Schrittmacher
Abbildung 6 - Neu entwickelter Schrittmacher [7]

Analyse eines WPT zum Laden von Herzschrittmacherbatterien mit EMS in SOLIDWORKS

Das vorgeschlagene Modell [6] dient zum Aufladen einer Herzschrittmacherbatterie durch induktive Kopplung. Abbildung 5 zeigt das simulierte Modell. Das entworfene Modell besteht aus einer Sende- und Empfangsspule, zwei Aluminiumplatten und zwei Ferritkernen. Die Wirbelströme nehmen bei hohen Frequenzen zu, da sowohl das elektrische Feld als auch die elektrische Leitfähigkeit des menschlichen Körpers proportional zur Frequenz sind. Daher arbeitet das untersuchte WPT-System mit einer niedrigen Frequenz (20 kHz), um die elektromagnetischen Felder (EMF) unter den EMF-Grenzwerten zu halten [8]. Der Betrieb mit einer niedrigen Frequenz verringert die WPT-Effizienz. Um dieses Problem zu lösen, werden Aluminiumplatten und Ferritkerne hinzugefügt, um die Systemeffizienz zu verbessern.

3D-CAD-Modell des simulierten WPT-Systems
Abbildung 7 - 3D-CAD-Modell des simulierten WPT-Systems

In diesem Artikel werden die WPT-Systemparameter berechnet und analysiert. Zu diesem Zweck wird ein mit einem externen Stromkreis gekoppeltes Wechselstrommagnetmodul von EMS verwendet. Tabelle 2 enthält die wichtigsten Simulationseigenschaften.

Aluminiumplatten Eisenkerne Kupfer Sender- und Empfängerspule
Elektrische Leitfähigkeit (S/m) 3,86e + 7 0 5,8e + 7 -
Relative Durchlässigkeit 1 2400 0.99998 -
Anzahl der Züge - - - 10

Schrittmacher für WPT- und Shielding-Effekte

Die Abbildungen 7-10 zeigen die vom Modell erzeugte magnetische Flussdichte für verschiedene Szenarien. Für das Modell ohne ferromagnetische Kerne und Aluminiumplatte ist die magnetische Flussdichte um die Primärspule symmetrisch. Ein wichtiges Feld tritt in der Luft um den Sender herum aus. Bei Modellen mit Aluminiumplatten wird ein niedriges Feld zum Empfänger geleitet (Abbildung 8). Beim Hinzufügen der Eisenkerne wird ein gegenüber dem vorherigen Fall höheres Feld beobachtet (Abbildung 9). Im vollen Umfang ist der magnetische Fluss viel höher als in den vorherigen Fällen. Es folgt einem direkten Weg vom Sender zum Empfänger. Die hinzugefügten Eisenkerne und Aluminiumplatten bilden eine Abschirmung für den vom WPT-System erzeugten Magnetfluss. Es reduziert die magnetischen Verluste und schützt den menschlichen Körper und die elektronischen Geräte vor den Streufeldern. Die induktive Kopplung beträgt für das Modell ohne die Abschirmkomponenten ungefähr 0,13, während sie für das vollständige Modell ungefähr 0,13 beträgt.

Verteilung der magnetischen Flussdichte - ohne Eisenkerne und Aluminiumplatten
Abbildung 8 - Verteilung der magnetischen Flussdichte - ohne Eisenkerne und Aluminiumplatten
Verteilung der magnetischen Flussdichte - ohne Eisenkerne
Abbildung 9 - Verteilung der magnetischen Flussdichte - ohne Eisenkerne
Verteilung der magnetischen Flussdichte - ohne Aluminiumplatten
Abbildung 10 - Verteilung der magnetischen Flussdichte - ohne Aluminiumplatten
Verteilung der magnetischen Flussdichte mit Aluminiumplatten und Eisenkernen
Abbildung 11 - Verteilung der magnetischen Flussdichte - mit Aluminiumplatten und Eisenkernen

Die Schaltungsparameter des WPT-Modells werden mit EMS bei einer Frequenz von 20 kHz berechnet. Tabelle 1 fasst diese Ergebnisse zusammen.

Induktivität
L Tx

(uH)
Induktivität
L Rx

(uH)
Widerstand
R Tx

( begin mathsize 12px style fett kursiv m fett kursiv capital omega end style )
Widerstand
R Rx

( begin mathsize 12px style fett kursiv m fett kursiv capital omega end style )
Gegenseitige Induktivität
M TxRx

(uH)
Kopplungskoeffizient
EMS 4,278 3,787 16.05 19,23 51,80 0,128
Ref [3] 4.1685 3,7002 18,78 21,89 52,26 0,133

Einfluss des Luftspaltabstands auf den Kopplungskoeffizienten

Die Kopplungskoeffizientenformel des WPT-Systems lautet wie folgt: k Raum ist gleich dem abgeschrägten Bruchzähler M über der Quadratwurzel des Nenners von L Index T x Ende Index Stern mal Raum L Index R x Ende Index Ende Wurzel Endbruch . Die WPT-Effizienz steigt mit dem Kopplungskoeffizienten [9], [10]. Der Wert von k liegt zwischen 0 und 1 (perfekte Kopplung). Im Falle einer perfekten Kopplung schneiden alle Flusslinien einer Spule alle Windungen der zweiten Spule, d. H. Die beiden Spulen sind eng miteinander gekoppelt. Die resultierende Gegeninduktivität ist gleich dem geometrischen Mittel der beiden Einzelspulen Induktivitäten der Spulen und die induzierten Spannungen in Primär- und Sekundärspannung erfüllen die Beziehung abgeschrägter V-Index 1 über V-Index 2 entspricht abgeschrägter N-Index 1 über N-Index 2 .
11 zeigt eine Animation der Variation der magnetischen Flussdichte gegenüber dem Luftspaltabstand, der den Sender und den Empfänger trennt. Zu diesem Zweck wird eine parametrische magnetische Wechselstromstudie verwendet.
Wie zu sehen ist, wird die magnetische Flussdichte, die die Sekundärspule erreicht, geringer, wenn der Luftspaltabstand zunimmt und umgekehrt.

Animation der magnetischen Flussdichte über dem Luftspaltabstand
Abbildung 12 - Animation der magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit vom Luftspaltabstand

Die Fig. 12 und 13 zeigen jeweils die Kurven der Gegeninduktivität und des Kopplungskoeffizienten gegen den Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärspule. Sowohl die Gegeninduktivität als auch der Kopplungskoeffizient nehmen mit dem Luftspaltabstand ab.

Gegeninduktivität gegen Luftspaltabstand
Abbildung 13 - Gegeninduktivität gegen Luftspaltabstand
Kopplungskoeffizient gegen Luftspaltabstand
Abbildung 14 - Kopplungskoeffizient in Abhängigkeit vom Luftspaltabstand

Die induzierte Spannung in der Sekundärspule ist in Abbildung 14 dargestellt. Sie verhält sich identisch mit dem Kopplungskoeffizienten. Abbildung 15 zeigt das Verhältnis von abgeschrägter V-Index 2 über V-Index 1 . Dieses Verhältnis wird durch die Vergrößerung des Luftspaltabstands geringer, da die übertragene Energie geringer wird, wenn der Abstand zwischen Primär- und Sekundärwicklung zunimmt. Diese Ergebnisse stimmen sehr gut mit den vorherigen Aussagen überein.

Induzierte Spannung gegen Luftspaltabstand
Abbildung 15 - Induzierte Spannung in Abhängigkeit vom Luftspaltabstand
Verhältnis der Spannungen
Abbildung 16 - Spannungsverhältnis abgeschrägter V-Index 2 über V-Index 1

WPT arbeitet an der Resonanz

Der WPT arbeitet mit seinem höchsten Wirkungsgrad in der Resonanz. Auf der Primär- und der Sekundärseite werden zwei Resonanzkapazitäten hinzugefügt. Die folgende Abbildung zeigt den externen Stromkreis, der mit dem WPT-System im EMS verbunden ist. Die Quelle wird als ideal angesehen (R=0). Der Gleichstromwiderstand der Wicklungen wird im Stromkreis nicht modelliert, da er automatisch berechnet und intern im EMS berücksichtigt wird.
Die Resonanzkapazitätswerte werden nach folgender Formel berechnet: Der Omega-Index r entspricht dem Bruchzähler 1 über der Quadratwurzel von L C -Endwurzel-Endbruch

Resonanzkreis, der in EMS für das Schrittmacher-WPT-System modelliert wurde
Abbildung 17 - Resonanzkreis, der in EMS für das Schrittmacher-WPT-System modelliert wurde

Abbildung 17 zeigt den Verlauf des Sekundärstroms über der Frequenz. Der maximal erzeugte Strom liegt bei der Resonanzfrequenz (20kHz).

Strom in der Empfängerspule in Abhängigkeit von der Frequenz
Abbildung 18 - Strom in der Empfängerspule in Abhängigkeit von der Frequenz

WPT-System im menschlichen Körper

In diesem Abschnitt wird der Fall eines Empfängers analysiert, der in einen menschlichen Körper implantiert ist. Der Sender befindet sich außerhalb des menschlichen Körpers, während sich der Empfänger wenige Millimeter unter der Haut befindet. Der menschliche Körper zeichnet sich durch eine geringe elektrische Leitfähigkeit aus, die mit der Frequenz zunimmt. Da das untersuchte induktive Kopplungssystem bei einer niedrigen Frequenz arbeitet, sind die erzeugten Wirbelströme in den menschlichen Organen nahe Null. Die 18a) und 18b) enthalten Vorder- und Rechtsansichten des ineinandergreifenden Modells. Auf die Aluminiumteile wird eine kleine Maschengröße aufgebracht, um die in der Hauttiefe erzeugten Wirbelströme besser einzufangen. Der EMS-Mesher kann die Krümmung in den vermaschten Bauteilen erkennen und ihr folgen. Dies kann das feine Netz in einigen Zonen des menschlichen Körpers erklären.

Vermaschtes Modell: a) Vorderansicht, b) Rechte Ansicht

Abbildung 19 - Vermaschtes Modell: a) Vorderansicht, b) Ansicht von rechts

Die 19a) und 19b) zeigen Querschnittsansichten der magnetischen Flussverteilung im menschlichen Körper. Im menschlichen Körper wird der Fluss aufgrund der abschirmenden Komponenten um den Empfänger herum konzentriert. Der Maximalwert des Magnetfelds beträgt wenige Mikrotesla, was unter den in [11] veröffentlichten Standardgrenzwerten (27 Mikrotesla) liegt.

: Querschnittsansicht der magnetischen Flussdichteverteilung; a) Vorderansicht, b) Isometrische Ansicht
: Querschnittsansicht der magnetischen Flussdichteverteilung; a) Vorderansicht, b) Isometrische Ansicht
20 - Querschnittsansicht der magnetischen Flussdichteverteilung; a) Vorderansicht, b) Isometrische Ansicht

Fazit

Aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile wird die Verwendung von Akku-Schrittmachern immer häufiger. EMS, als leistungsstarke numerische Simulationssoftware, könnte dazu beitragen, hocheffiziente drahtlose Energiesysteme zum Laden von Herzschrittmacherbatterien zu entwerfen und zu prototypisieren. Es hilft auch, die Sicherheit der Produkte zu gewährleisten. Das untersuchte Modell ermöglicht es, einen guten Wirkungsgrad bei niedrigen Frequenzen sicherzustellen und die Exposition gegenüber hohen elektromagnetischen Feldern zu verhindern.

Verweise

[1]:https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introduction-to-wireless-power-transfer-wpt/
[2] : https://www.we-online.com/web/en/passive_components_custom_magnetics/blog_pbcm/blog_detail_electronics_in_action_100414.php
[3] :https://www.edgefxkits.com/blog/wireless-power-transfer/
[4] :https://en.tdk-electronics.tdk.com/tdk-en/373562/tech-library/articles/applications---cases/applications---cases/thin-and-efficient-power-transmission/980554
[5]: Wireless Power Transmission to Charge Pacemaker Battery, Qazi Saeed Ahmad1Tarana A.Chandel2 , Saif Ahmad3 Department of Electronics & Communication Engg.IntegralUniv.Lucknow,India
[6]: Wireless power transfer for a pacemaker application, Vladimir Vulfin, Shai Sayfan-Altman & Reuven Ianconescu, Journal of Medical Engineering & Technology.
[7]:https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-4575120/Battery-pacemaker-end-battery-replacement-surgery.html
[8]:Human Exposure to Close-Range Resonant Wireless Power Transfer Systems as a Function of Design Parameters, Xi Lin Chen, Aghuinyue E. Umenei,  David W. Baarman, Nicolas Chavannes, Valerio De Santis, Juan R. Mosig, and Niels Kuster, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY
[9]Design and Evaluation of a Wireless Power Transfer System with Road Embedded Transmitter Coils for Dynamic Charging of Electric Vehicles, KraisornThrongnumchai , Akihiro Hanamura , Yuji Naruse , Kazuhiro Takeda, EV System Lab., Nissan Research Center, Nissan Motor co., ltd., 1-1, Morinosatoaoyama, Atsugi-shi, Kanagawa 243-0123, JAPAN. World Electric Vehicle Journal Vol. 6 - ISSN 2032-6653 - © 2013 WEVA Page
[10]: Wireless (Power Transfer) Transmission of Electrical Energy (Electricity) Intended for Consumer Purposes up to 50 W, Marek PIRI, Pavol SPANIK, Michal FRIVALDSKY, Anna KONDELOVA. POWER ENGINEERING AND ELECTRICAL ENGINEERING VOLUME: 14 | NUMBER: 1 | 2016 | MARCH
 [11]: ICNIRP GUIDELINES FOR LIMITING EXPOSURE TO TIME?VARYING ELECTRIC AND MAGNETIC FIELDS (1HZ – 100 kHZ)