ペースメーカー応用向けの無線電力システムのシミュレーション

無線給電（WPT）

無線エネルギー伝達または無線電力は、導体で相互接続せずに電源から電気負荷に電気エネルギーを送信することです。セルビアの医師でありエンジニアであるニコラス・テスラは、1899年に無線エネルギー伝達の概念の検索と提案を始めた最初の科学者です。ニコラテスラは、コロラドスプリングスラボで電気力学的誘導を使用して電球を無線で点灯させることができました。テスラは、大西洋を越えて無線で電気を伝送するという大きな計画を立てていましたが、まだ実現していません。

図2-ワイヤレス電力の市場動向[2]

無線電力伝達にはさまざまな種類があります。マイクロ波電力伝送、誘導結合電力伝送、レーザー電力伝送方式。この記事では、誘導電力伝送（IPT）について説明します。

IPTの物理的原理は、トランスを形成するエアギャップによって分離された送信機と受信機の巻線で構成されます。送信機は、コンバーターを介して高周波電流を供給されます。時変磁場は、受信機の巻線に、フラデーの誘導の法則により、EMFを誘導します。誘導されたEMFは、接続された負荷に直接または電力システムを介して転送される電流を生成します。

IPTは、高い信頼性、効率、速度により、電気自動車などの多くの応用分野で使用できます。電気自動車は無線充電でき、それらの自動車はスマートフォンやラップトップを無線充電できます。

また、ペースメーカーなどの人体に埋め込まれたウェアラブル医療機器の医療にも使用されています。ウェアラブルおよび植込み型医療機器（WIMD）は注目を集めており、重要な内臓を監視、刺激、調節し、外部のホストと状態について通信する能力により、人命の救いと延長において重要な役割を果たすことが期待されています。これらの内臓の健康。

ペースメーカーは、病気（不整脈、不規則な心拍）の場合に心拍を調節するために使用されます。人間の心臓の電気システムが「正常に動作しない場合、バッテリー駆動のペースメーカーは、電気インパルスで心臓の鼓動を通常のリズムに戻します。従来のペースメーカーは、非充電式バッテリーのために定期的に手術に交換する必要があります。充電式バッテリーを備えたペースメーカーの使用は、以前に放棄された後[5]、[6]に増加しました。受信コイルはペースメーカーのバッテリーにエネルギーを供給します。さらに最近では、ライス大学とテキサスハートインスティテュートの協力により、バッテリーレスペースメーカーが発明されました[7]。これらのペースメーカーは、リード線とバッテリーを必要としないため、心臓に直接移植されます。これらは、外部RFワイヤレスシステムによって駆動されます。ワイヤレス充電式バッテリーまたはRFワイヤレス電源システムを備えた最後に言及したペースメーカーテクノロジーは、ペースメーカーの寿命と信頼性の向上、医療合併症（出血、感染）、柔軟な外部制御を引き起こす可能性のあるメンテナンス手術の削減など、いくつかの利点を提供できますペースメーカーなどの

SOLIDWORKS内のEMSを使用したペースメーカーバッテリー充電用WPTの解析

提案されたモデル[6]は、誘導結合によりペースメーカーのバッテリーを充電するために使用されます。図5は、シミュレートされたモデルを示しています。設計されたモデルは、送信機と受信機のコイル、2つのアルミニウム板、2つのフェライトコアで構成されています。電界と人体の電気伝導度の両方が周波数に比例するため、渦電流は高周波で増加します。そのため、検討したWPTシステムは低周波（20kHz）で動作し、電磁場（EMF）をEMF規格の制限値未満に保ちます[8]。低周波数で動作すると、WPT効率が低下します。この問題を克服するために、システム効率を改善するためにアルミニウム板とフェライトコアが追加されています。

この記事では、WPTシステムパラメーターを計算して分析します。外部回路に結合されたEMSのAC磁気モジュールがこの目的に使用されます。表2には、主なシミュレーションプロパティが含まれています。

WPTおよびシールド効果用のペースメーカー

図7-10は、さまざまなシナリオでモデルによって生成された磁束密度を示しています。強磁性コアとアルミニウム板のないモデルの場合、磁束密度は一次コイルの周りで対称です。重要なフィールドが送信機の周囲の空気に漏れています。アルミニウム板を使用したモデルの場合、低電界が受信機に伝導されます（図8）。鉄心を追加すると、前のケースと比較してより高い磁場が観察されます（図9）。完全に、磁束は以前の場合よりもはるかに高くなります。送信機から受信機への直接経路をたどっています。追加された鉄心とアルミニウム板は、WPTシステムによって生成される磁束のシールドを構成します。それは磁気損失を減らし、人体と電子機器を漏れ磁場から保護します。誘導結合は、シールドコンポーネントのないモデルでは約0.1ですが、完全なモデルでは約0.13です。

WPTモデルの回路パラメータは、20kHzの周波数でEMSを使用して計算されます。表1は、これらの結果を再開しています。

	インダクタンス L Tx （uH）	インダクタンス L Rx （uH）	抵抗 R Tx （ ）	抵抗 R Rx （ ）	相互インダクタンス M TxRx （uH）	結合係数
EMS	4.278	3.787	16.05	19.23	51.80	0.128
参照[3]	4.1685	3.7002	18.78	21.89	52.26	0.133

結合係数に対するエアギャップ距離の影響

WPTシステムの結合係数の式は次のとおりです、 。 WPT効率は、結合係数[9]、[10]とともに増加します。 kの値の範囲は0〜1です（完全な結合）。完全な結合の場合、1つのコイルのすべての磁束線が2番目のコイルのすべてのターンをカットします。つまり、2つのコイルは互いに密に結合され、結果の相互インダクタンスは2つの個体の幾何平均に等しくなります。コイルのインダクタンスと一次および二次への誘導電圧は、関係を満たします。
図11は、送信機と受信機を隔てるエアギャップ距離に対する磁束密度の変化のアニメーションを示しています。この目的には、パラメトリックAC磁気スタディが使用されます。
見て分かるように、二次コイルに到達する磁束密度は、エアギャップ距離が増加すると逆に減少します。

図12と図13は、それぞれ、1次コイルと2次コイル間の空隙に対する相互インダクタンスと結合係数の曲線を示しています。相互インダクタンスと結合係数は、エアギャップ距離とともに減少します。

2次コイルの誘導電圧を図14にプロットします。結合係数と同じ動作をします。図15はの比率を表しています。この比率は、一次巻線と二次巻線間の距離が大きくなると伝達されるエネルギーが小さくなるため、エアギャップ距離が大きくなると低くなります。これらの結果は、以前のステートメントと非常によく相関しています。

図16-電圧の比率

共振で動作するWPT

WPTは、共振における最高の効率で動作します。 2つの共振容量が一次側と二次側の両方に追加されます。以下の図は、EMS内のWPTシステムに結合された外部回路を示しています。ソースは理想的と見なされます（R=0）。巻線のDC抵抗は、自動計算され、EMS内で内部的に考慮されるため、回路ではモデル化されません。
共振容量値は、次の式を使用して計算されます。

図17に、周波数に対する2次電流の曲線を示します。生成される最大電流は共振周波数（20kHz）です。

人体内のWPTシステム

このセクションでは、人体内に埋め込まれた受信機のケースを分析します。送信機は人体の外側にあり、受信機は皮膚の数ミリ下にあります。人体は、周波数とともに増加する低い電気伝導率によって特徴付けられます。調査した誘導結合システムは低周波数で動作しているため、人間の臓器で発生する渦電流はゼロに近くなります。図18a）および18b）には、メッシュ化されたモデルの正面図と右側面図が含まれています。表皮の深さに生じる渦電流をよりよく捉えるために、小さなメッシュサイズがアルミニウム部品に適用されます。 EMSメッシャーには、メッシュコンポーネントの曲率を検出して追跡する機能があります。これは、人体のいくつかのゾーンの細かいメッシュを説明できます。

図19a）および19b）は、人体の磁束分布の断面図を示しています。人体の内部では、遮蔽成分のために磁束が受信機の周囲に集中します。磁場の最大値は、数マイクロテスラであり、[11]で公開されている標準の制限（27マイクロテスラ）を下回っています。

結論

いくつかの利点があるため、充電式バッテリーペースメーカーの使用が一般的になっています。 EMSは、強力な数値シミュレーションソフトウェアとして、ペースメーカーのバッテリーを充電するための非常に効率的なワイヤレス電源システムの設計とプロトタイプ作成に役立ちます。また、製品の安全性を確保するのにも役立ちます。検討したモデルにより、低周波数で優れた効率を確保し、高電磁界への暴露を防ぐことができます。

参照資料

[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)