心脏起搏器无线电能传输LCC-LCC磁集成印刷螺旋线圈研究

为实现植入式心脏起搏器无线电能传输系统的体积小型化以及改善系统的传输性能,该文提出一种基于LCC-LCC磁集成印刷螺旋线圈(PSC)的心脏起搏器无线电能传输系统。首先,建立线圈模型,研究在填充比率固定条件下PSC的匝宽和匝间距对传输效率的影响,确定最佳的线圈参数;其次,建立非集成式和集成式耦合机构的仿真模型,计算不同偏移情况下两种耦合机构的磁场分布情况;最后,搭建非集成式与集成式无线电能传输系统,验证集成结构在传输性能方面的优势。结果表明:在12mm的传输距离下,传输效率由62.3%提升至68.1%,输出功率提升了0.39W。此外,通过模拟计算无线充电过程中电场强度和比吸收率(SAR)值在人体内的分布情况,对系统进行安全评估。集成式PCS的提出有助于推进心脏起搏器无线电能传输系统的产品化进程。

平面螺旋线圈电感参数解析计算模型研究

利用无线电能传输系统无需电气连接即可实现电能传输的特性,电网监测设备可直接从电网高压侧取能.系统线圈电感参数与无线电能传输系统的传输效率、恒压增益、恒流增益、传输功率密切相关,因此对线圈的电感参数的精确建模尤为重要.首先,将平面螺旋线圈等效为具有相同匝数的等间距同心圆,然后,从磁矢势的定义出发,推导并建立了平面螺旋线圈的互感和自感的解析表达式.先后基于Aglent 4294A和Comsol Multphysics对密集绕制型和松散绕制型平面螺旋线圈的电感分别进行验证.研究表明,平面螺旋线圈的自感模型和互感模型的最大误差分别为4.12%和4.90%.因此,本文所提平面螺旋线圈电感参数解析计算模型具有较高计算准确度,同时兼顾密集绕制和松散绕制型线圈,无适用条件限制.

不锈钢丝/尼龙螺旋线圈型人工肌肉的制备及其性能研究

将廉价的尼龙线和不锈钢丝混纺制备螺旋线圈型人工肌肉,探索尼龙线直径和不锈钢丝股数对人工肌肉的电热致动性能影响。结果表明:随着尼龙线直径的增加,不锈钢丝/尼龙人工肌肉的一个工作循环时间增长,在相同刺激时间下输出力和收缩率大幅提升,且输出力与尼龙线直径之间呈二次函数关系;随着不锈钢丝股数增加,人工肌肉的收缩率和输出力增大,3股不锈钢丝性能最优,50g恒定载荷下收缩率达17%,输出力达0.67N。可为聚合物基人工肌肉的制备及应用提供一定理论依据。

基于印刷螺旋线圈的自谐振无线能量传输系统

基于印刷螺旋线圈的自谐振无线能量传输系统,其PCB板的顶层和底层分布螺旋线圈,等效电路由电感、电阻和电容的RLC串联组成。自谐振无线能量传输线圈具有结构简单、无需额外补偿电路及便于和PCB电路集成等优点。理论推导了无线能量传输效率和线圈品质因数的关系,并参数化分析了螺旋线圈的圈数和线宽对线圈的电感、电阻和品质因数的影响。仿真实验表明,当发射线圈和接收线圈的传输距离在45 mm内,自谐振无线能量传输效率可达85%以上;当发射线圈和接收线圈的轴向距离设定为45 mm时,收发线圈的水平偏移量在30 mm内,自谐振无线能量传输效率可达80%以上。

多叶螺旋线圈强化平板太阳能集热器换热的试验研究

用铜丝制成双叶螺旋线圈和三叶螺旋线圈内插物,置于平板型太阳能集热器的流道内,以强化流道管壁与工作介质之间换热。在定热流条件下,进行了空管、扭带管、双叶螺旋线圈管和三叶螺旋线圈管的换热性能研究;在常温下进行了阻力试验。试验结果表明,双叶螺旋线圈管Nu数增加了68.4%～200.7%,阻力系数增加238.7%～794.6%;三叶螺旋线圈Nu数增加106.1%～272%,阻力系数增加470.8%～906.8%。通过回归分析给出了f和Nu与影响因素计算式。研究表明,双叶螺旋线圈管道和三叶螺旋线圈管道换热均优于空管和扭带管;三叶螺旋线圈管道比双叶螺旋线圈的换热效果更佳。

螺旋线圈电磁超声换能器解析建模与分析

目前电磁超声换能器(electromagnetic acoustictransducer,EMAT)建模方法中存在有限元法计算时间较长,解析法建模不完整的问题。通过将圆柱永磁体等效为电流环并采用截断区域特征函数展开(truncated region eigen-function expansion,TREE)方法,建立螺旋线圈EMAT完整解析模型,得到涡流、磁场、力场和线圈阻抗的表达式。随后以铝板探伤为背景,应用该模型分析静磁场及其产生的洛伦兹力分布规律,得到永磁体直径是线圈的1.5～2倍,厚度与其直径相等的设计原则;对比分析静磁场洛伦兹力和交变磁场洛伦兹力的频率、大小和分布规律。最后,结合有限元法和实验验证了模型和分析结果的有效性。

平行平板通道内置螺旋线圈流动传热特性

通过实验与三维数值模拟相结合的方法,对内置螺旋线圈平行平板通道的流动及传热特性进行了研究,发现相对于无扰流填充物的平板通道,螺旋线圈的应用能够显著地强化传热,相同Re数下Nu数增幅为29%~141%,相应地阻力系数增幅为26%~175%。数值模拟的结果显示,流体受螺旋线圈的诱导可产生多纵向涡流动,增强了速度在垂直于壁面方向的分量,同时导致温度场发生明显改变,使得速度场与温度梯度场的协同性能得到提升,从而强化了传热。在700〈Re〈7 500的范围内,通过对流动换热综合性能参数的比较发现,在Re数较小时,强化传热后换热效果的提升要大于流动阻力的增加,而在Re数较高时则相反。

非铁磁性金属材料螺旋线圈电磁超声换能器接收效率场路耦合分析

针对电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)接收信号十分微弱的问题,建立包括螺旋线圈EMAT换能过程和接收等效电路的场路耦合有限元模型;分析阻抗匹配参数、线圈导线直径、前置放大器的输入阻抗和铜背底至线圈间距对EMAT接收效率的影响规律。研究结果表明:当线圈导线直径为0.25 mm,前置放大器输入阻抗为1 k?,铜背底至线圈距离为0.5 mm时,实验接收横波信号幅值可以提高3倍以上;场路耦合分析方法能够综合考虑接收电路的输出增益和接收EMAT的换能效率,可以更准确地指导EMAT系统设计。

螺旋线圈电磁发射器径向受力仿真与电枢设计

通过数值仿真,根据螺旋线圈电磁发射器(HCEL)驱动线圈的径向磁场分布,提出一种"D"形截面电枢并确定其最佳受力位置。计算表明,相同线度的"D"形电枢比矩形电枢加速度更大,即在炮长(弹丸加速长度)相同的情况下,"D"形电枢比矩形电枢具有更高的出口速度。以"D"形电枢为例,分析了弹丸线圈与驱动线圈上的轴向、径向受力分布。结果表明,弹丸线圈与驱动线圈的径向力主要为向外的膨胀力,在炮结构的工程设计中应在线圈外围进行加固。

螺旋线圈强化管内单相流体传热的研究

研究了内插螺旋线圈的水平圆管内水的对流强化传热及流阻特性 ,探索了螺旋丝径不变 ,螺距变化对传热及流体阻力的影响 ;螺距不变 ,螺旋丝径变化对传热及流体阻力的影响。实验采用2 5mm× 2mm的紫铜圆管 ,实验段长 1 .68m ,管内走水 ,Re数的范围在 30 0 0～ 2 5 0 0 0之间。通过对实验数据的多元线性回归 ,得到了传热与流体阻力的实验关联式 ,采用 (Nus/Nu) 3.5/ ( fs/ f)作为评估传热与流阻性能的综合判据 ,实验结果表明 :在实验范围内 ,(Nus/Nu) 3.5/ ( fs/ f)的值在 1 .2～ 1 0 .7之间 ,大于 1 。

基于阿基米德螺旋线圈的高变化率脉冲磁场发生器

脉冲磁场治疗肿瘤凭借其无创性的优势具有良好的应用前景。感应电场和感应电流是脉冲磁场产生生物效应的原因之一。为了获得较大的感应电场来开展脉冲磁场治疗肿瘤的细胞实验,研制了1台基于阿基米德螺旋线圈和自击穿空气开关的高变化率脉冲磁场发生器。对阿基米德螺旋线圈周围空间的磁场和感应电场进行了计算,利用COMSOL Multiphysics软件对线圈的磁场分布特性进行了优化设计,并对研制出的磁场发生器性能进行了实测。最终,设计的阿基米德螺旋线圈为7匝、外径为21 mm,该线圈在细胞培养液中可产生的脉冲磁场参数为:磁感应强度幅值0.92 T、上升时间78 ns、脉冲宽度1.8μs,磁场的变化率达1.1×107 T/s,感应电场最大值为55.9kV/m,电场的均匀度达84%,最大的感应电流密度达1.7×104 A/m2。结果表明,此脉冲磁场发生器可以满足用于研究脉冲磁场治疗肿瘤相关的细胞实验的要求,为后续研究奠定了基础。

一种螺旋线圈电磁发射器弹丸受力的仿真研究

对一种螺旋线圈电磁发射器(HCEL)弹丸受力的影响因素,如弹丸与驱动线圈相对位置、弹丸线圈和驱动线圈尺寸、电流大小等进行了静态模拟。结果表明,HCEL弹丸的受力大小与其相对驱动线圈的位置有关,且有一个最大受力位置。线圈半径固定时,弹丸最大受力随线圈轴向长度增大而增大,线圈轴向长度较小时弹丸加速度达到最大。弹丸最大受力与线圈每匝电流平方成正比,最大受力位置不随电流改变。仿真结果验证了HCEL的基本理论,并为HCEL结构的设计提供了参数支持。

圆形螺旋线圈自感和分布电容的计算

提出了一种计算圆形螺旋线圈自感和分布电容的方法。在元件尺寸小于波长的准静态近似情况下用 Sommerfeld类型积分计算小段平面圆弧的自感和互感 ,然后用螺旋线方程对每一小段圆弧的自感和圆弧间的互感积分 ,算得螺旋线圈的自感。计算螺旋线圈分布电容时同样先计算出两小段同心圆弧间的电容 ,然后用螺旋线方程对其积分算得螺旋线圈的总分布电容。编制了相应的程序对多种情况下的螺旋线圈自感和分布电容进行了计算 ,计算与实验结果比较 ,有较好的一致性。与经验公式相比 ,计算自感的方法有更广的适用范围和对实验结果更好的逼近。而分布电容的计算方法比其它的方法大大减少了运算量。

环形通道内置螺旋线圈过冷流动沸腾传热特性

研究了置有螺旋线圈的内管加热环形通道中水的过冷流动沸腾传热特性。环形通道由铜制加热棒外套石英玻璃管构成,不同螺旋节距和线丝直径构成的5种螺旋线圈用于实验。对每种置入螺旋线圈管和光滑管分别进行了不同质量流速和热负荷下的16组实验,分析了线丝直径和线圈节距对传热系数的影响规律及机理。结果表明,螺旋线圈存在能使流体发生旋转分离,且使汽化核心密度增大,从而有效强化过冷沸腾换热;传热系数随着线圈节距的减小、线丝直径的增加,即节径比(P/e)减小而增大,当P/e最小为1.5时强化效果最好;最佳强化换热性能较光滑管的高出109%。将实验数据与4个经验关系式的预测值进行了比较,并给出了不同工况下各实验管的强化系数对比。

螺旋线圈强化传热适宜操作雷诺数的确定

建立以年总效益最大为目标函数的传热设备运转费用数学模型,对螺旋线圈强化传热进行了传热效果和阻力特性的经济分析.在年总效益最大的前提下,获得了传热设备最佳的操作雷诺数和经济临界雷诺数.结果表明:强化传热过程的操作雷诺数应低于经济临界雷诺数,并且在最佳操作雷诺数的附近操作、对于实现传热优化操作、降低运行费用,提高经济效益具有十分重要的意义.

直流螺旋线圈电磁发射器的能量转换效率

综合考虑换向过程、炮口剩余磁能和电阻的能量损耗等因素,建立等效电路模型,通过理论、数值计算和实验的方法,对比分析了常规螺旋发射器和一种新型螺旋发射器的效率。结果表明:电阻焦耳热损耗的能量最大,其次是换向磁能损失,而炮口剩余磁能损失最小。降低电阻、增大互感梯度、减小驱动线圈单元的匝数、增大工作电流等方式可以有效提高发射器的能量转换效率。然而,较大的互感梯度也会带来较大的换向磁能和炮口磁能损失,造成炮管烧蚀甚至损坏、能量泄放和效率降低。另外,恒流工作模式的螺旋发射器理论效率超过轨道炮,且新型螺旋发射器结构的理论效率接近100%,未来有望在超导或较低电阻的情况下实现应用。

平面螺旋线圈电磁发射器磁场及发射体受力分析

平面螺旋线圈电磁发射器具有结构简单、推力大等优点。首先介绍了平面螺旋线圈电磁发射器的工作原理,给出了驱动线圈的磁场方程、发射体的涡流方程和受力方程。用有限元法对驱动线圈磁场和发射体的受力进行了仿真计算,并分析了驱动线圈载荷频率变化、截面形状变化和发射体位置变化对发射体受力的影响。仿真结果表明:驱动线圈的电流频率对发射体受力影响较大,电流频率越高,发射体受力越大;在驱动线圈载荷相同的情况下,方形截面的驱动线圈使发射体受到的电磁力较大。

平面螺旋线圈的无线电能传输特性研究

收发谐振体是无线电能传输系统的重要组成部分,它的性能直接决定了整个系统传输效率的大小。选择平面螺旋线圈作为收发谐振体,通过有限元仿真软件HFSS分析了线圈的属性(匝数、基板材料、层数等)对线圈参数的影响趋势,并分析了谐振体之间的能量传输特性,仿真结果表明了线圈之间的耦合因数比线圈Q值对传输效率的影响更大。最后综合考虑线圈的性能和制作成本,选择最优线圈作出实物并搭建无线电能传输装置,整个装置能够在线圈直径2.5倍的450mm距离内点亮15 W的LED灯泡,传输效率达到60%以上。

管内螺旋线圈插入物强化传热及抗积灰性能的评述与分析

针对管内螺旋线圈插入物强化传热技术的研究现状及发展进行了评述 ,并依据管内流动特点对内插螺旋线圈强化传热管的强化传热及抗积灰机理进行了较为深入的探讨和分析。

磁耦合共振无线能量传输系统中平面螺旋线圈的设计

采用基于矩量法的电磁仿真软件(FEKO)对平面螺旋线圈进行3D建模,并通过计算50 cm处的近场值,得出平面螺旋线圈的谐振频率,省略了传统方法对平面螺旋线圈电感量进行的复杂计算.根据仿真模型数据制作线圈,并测试其S11参数.实验与仿真结果表明,该方法可简化平面螺旋线圈的设计.在磁耦合共振无线能量传输系统中用19.3 MHz线圈传输能量,点亮了一组LED阵列,因此该设计可用于无线能量传输系统.