用于人工心臟的經(jīng)皮變壓器的溫度場分析

馬紀梅，劉伯穎，李 洋，劉博豪

（河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130）

用于人工心臟的經(jīng)皮變壓器的溫度場分析

馬紀梅，劉伯穎，李 洋，劉博豪

（河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130）

以經(jīng)皮傳能理論為依托，在罐型經(jīng)皮變壓器的基礎(chǔ)上利用有限元的磁路耦合功能，計算經(jīng)皮變壓器各部分的體積生熱率；通過流體場、固體場和溫度場的耦合，對經(jīng)皮變壓器進行溫度場分析，得到次級鐵芯溫升值隨氣隙、軸向錯位和負載功率的變化情況，其最高溫升值為 0.3 度，處于人體的自我調(diào)溫能力的控制范圍以內(nèi)；提出通過監(jiān)測次級鐵芯溫度的變化來穩(wěn)定負載功率的方法，使人工心臟吸收功率穩(wěn)定在 16W 左右，滿足了人工心臟的功率要求．為人工心臟經(jīng)皮傳能系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行提供了一定的參考價值．

人工心臟；經(jīng)皮變壓器；體積生熱率；有限元；溫度場

0 引言

針對現(xiàn)有內(nèi)置式診療設(shè)備供能方式存在的問題，20 世紀 80 年代開始，國外科技人員紛紛研發(fā)經(jīng)皮能量傳輸裝置（TranscutaneousEnergy Transm ission System，TETS）．該技術(shù)可使體內(nèi)有源診療設(shè)備不再由于電池能量耗盡而被迫更換，減輕了患者的經(jīng)濟和身體負擔(dān)．本科研小組研制了人工心臟的TETS原理性樣機．在文獻 [1] 中，筆者闡述了該系統(tǒng)的工作原理和功能框架．即在人體外的原邊線圈通入一定頻率的交流，可以產(chǎn)生一個交變的磁場，位于人體內(nèi)的副邊線圈將感應(yīng)到的磁場轉(zhuǎn)變?yōu)橥l的交變電場，能量得以傳遞到后續(xù)電 路 來 滿 足 診 療 設(shè) 備 的 需 要 ． 本 系 統(tǒng) 經(jīng) 皮 變 壓 器 形 狀 如 圖1 和 圖2 所 示 ． 其 中D1=59 mm，D2=49 mm ，D3=25mm ，d4=18mm ，d3=13mm ，原副邊的間隙 gap 取決于人體皮膚的厚度，一般為 5 ～ 15mm ；原副邊繞組分別為0.1mm × 70 共 25 匝的絲包線．整個系統(tǒng)采用初、次級串-串補償方式．

1 經(jīng)皮變壓器溫度場分析

1.1 經(jīng)皮變壓器體積生熱率計算

在有限元軟件中建立如圖3 所示的磁路耦合圖，V1是外加的有效值為 30V的交流電壓源，R1是 25等效負載，通過標準線圈N1、N2連接于初、次級線圈有限元區(qū)域的橫截面上．在 gap 和軸向錯位變化下，測量各處能量損耗，并根據(jù)圖2參數(shù)計算單位熱源體積生熱率[2]，結(jié)果如表1 和表2 所示．經(jīng)皮變壓器以鐵芯損耗為主，并且初級鐵芯要遠遠高于次級鐵芯和初、次級線圈三者損耗之和，這是因為初級線圈上流經(jīng)勵磁電流，并且由于空氣氣隙和軸向錯位，磁路沒有完全閉合，次級線圈中磁感應(yīng)強度較初級線圈的磁感應(yīng)強度小，所以初級和次級鐵芯中感應(yīng)的電流密度不一致．隨著 gap 和軸向錯位的增大，變壓器的傳輸效率下降，次級獲得的能量降低，其損耗也相應(yīng)減?。?/p>

1.2 經(jīng)皮變壓器溫度場計算

建立如圖4所示的二維軸對稱模型．在初級鐵芯的下面是和鐵芯高度相同的流體場區(qū)域，寬度為鐵芯寬度的2倍，此處為空氣．次級鐵芯上半部建立的是初、次級鐵芯高度和次級鐵芯植入深度之和的 1.2 倍的流體場區(qū)域[2]，因次級鐵芯和線圈需完全植入人體腹部的皮下組織層處，所以此處的流體場區(qū)域為人體血液．變壓器的初級線圈和次級線圈內(nèi)部依靠熱傳導(dǎo)的方式傳遞熱量，暴露在空氣中和植入人體的各部分表面以自然對流和輻射的方式來傳遞熱量[3]．在固體表面伴隨著輻射散熱問題，輻射面為初、次級鐵芯，線圈的外表面．對稱軸徑向的速度為零；初級鐵芯和線圈所處的下邊界因固定到人體外，是無滑移邊界條件，即軸向和徑向的速度都為零，溫度為環(huán)境溫度，此處設(shè)為20℃ ；次級鐵芯和線圈所處的上邊界邊界條件壓力為零，溫度為人體的動脈血溫度，這里取 37℃ ；右邊界既是入口也是出口，位于人體內(nèi)的溫度邊界為37℃ ，初級鐵芯側(cè)環(huán)境溫度為 20℃ ，壓力為零．

1.3 結(jié)果分析

1.3.1 鐵芯軸向溫度分布

分別在初、次級鐵芯 x=5mm處沿軸向方向做兩條直線來分析溫度在鐵芯內(nèi)部的分布．結(jié)果如圖5和圖6所示．次級鐵芯溫升值明顯地小于初級鐵芯溫升值，并且隨著高度的增加溫升值基本呈線性變化，初級和次級側(cè)溫升最高點都出現(xiàn)在橫軸高度最小處．這是因為，次級側(cè)損耗要遠遠小于初級側(cè)的損耗，因此其產(chǎn)生的熱量也少很多．并且次級需完全植入人體，固體的導(dǎo)熱能力遠大于流體的導(dǎo)熱能力；人體的血液循環(huán)也會帶走大量的熱量，而原邊側(cè)暴露在空氣中，對流帶走的熱量少．因初級鐵芯緊貼皮膚放置，所以初級鐵芯在越靠近皮膚處因皮膚的良好熱傳導(dǎo)作用其溫升越?。?/p>

1.3.2 鐵芯徑向溫度分布

在初、次級鐵芯高度一半時沿徑向分析溫升的分布情況，結(jié)果如圖7和圖8所示．整體上徑向的溫升很平均，因初級側(cè)鐵芯損耗大，初級溫升明顯高于次級溫升．初、次級鐵芯徑向最高溫升位于幾何中心處，即 y=12.5mm和 y=23.5mm ，因為初、次級的線圈損耗小于對應(yīng)的鐵芯損耗，因此產(chǎn)生的熱量也少，在線圈的中心位置處溫升值最低．越遠離中心處由于鐵芯的熱傳導(dǎo)作用，溫升逐漸上升．

圖1 罐型鐵芯平面圖Fig.1 The2D structureof potcore for TETS

圖2 實驗用罐型經(jīng)皮變壓器Fig.2 Theactualstructureof potcore for TETS

圖3 磁路耦合圖Fig.3 Magnetic circuitcoupling of finite elementanalysissoftware

圖4 流固模型Fig.4 Modelof solid and fluid

表1 初、次級鐵芯和線圈的損耗隨線圈氣隙變化Tab.1 Lossand heatgeneration rate of the transcutaneous transformer vs.airgap

表2 初、次級鐵芯和線圈的損耗隨線圈軸向錯位變化（ gap=5mm）Tab.2 Lossand heatgeneration rate of the transcutaneous transformervs.horizontaldisplacement(gap=5mm)

由圖5和圖7可知，次級鐵芯無論是橫向溫升還是徑向溫升都在人體的自我調(diào)溫能力的控制范圍內(nèi)，所以長時間內(nèi)對人體沒有傷害[5-6]．

圖5 次級鐵芯軸向溫度分布Fig.5 Distribution of temperature in the secondary

圖6 初級鐵芯軸向溫度分布Fig.6 Distribution of temperature in the primary

圖7 次級鐵芯徑向溫度分布Fig.7 Distribution of radial temperature in secondary

圖8 初級鐵芯徑向溫度分布Fig.8 Distribution of radial temperature in primary

1.3.3 次級鐵芯溫升值隨 gap 和軸向錯位變化

通過計算次級側(cè)鐵芯溫升值隨 gap 的變化結(jié)果如圖9 所示．隨著 gap 增大，經(jīng)皮變壓器的耦合能力下降，次級側(cè)鐵芯和線圈獲得的能量減小，次級鐵芯和線圈的能量損耗也降低，次級側(cè)溫升將下降．但由軸向錯位引起的變化趨勢并不明顯，在此不再贅述．

1.3.4 次級鐵芯溫升值和負載功率的關(guān)系

由于人體呼吸和正?；顒拥挠绊懀踩氲饺梭w的次級鐵芯位置會發(fā)生一定的偏移．經(jīng)測試在現(xiàn)有電源供電下初、次級鐵芯氣隙在 7.5 mm 時負載功率已降到 10W 以下[1]．當(dāng)位置變化時次級側(cè)的溫升將相應(yīng)變化，反過來也可以認為次級鐵芯溫升的變化可以反映初、次級線圈gap和軸向錯位的變化．因此可以測量次級側(cè)鐵芯的溫升值并將其與仿真的溫升值對比來預(yù)測人工心臟的功率吸收情況，以便采取相應(yīng)的措施來滿足負載的功率要求．具體方法如下，將溫度傳感器盡量的置于次級側(cè)鐵芯附近，通過傳感器來實時地測量次級鐵芯溫度，再通過無線通訊系統(tǒng)將溫度信息傳輸?shù)襟w外，根據(jù)溫度的變化來預(yù)測體內(nèi)鐵芯距離和軸向錯位的變化，因而可以通過調(diào)整初級側(cè)鐵芯的位置或者提高初級側(cè)電源的輸入功率來保證人工心臟的功率輸入值相對穩(wěn)定．由圖10 可知，根據(jù)溫度的變化來調(diào)整電源的視在功率可以使負載吸收功率穩(wěn)定在 16W左右．

圖9 次級鐵芯溫升值隨初、次級鐵芯氣隙變化Fig.9 Temperature riseof secondary vs.air gap

圖10 負載功率和交流電源的視在功率和次級鐵芯溫升值的關(guān)系Fig.10 Load powerand voltageof AC power source vs.temperature rise

2 結(jié)論

以有限元分析軟件為基礎(chǔ)，建立了用于人工心臟的經(jīng)皮變壓器的溫度場，經(jīng)研究表明次級鐵芯無論是橫向溫升還是徑向溫升最高為 0.3 ℃ ，處于人體的自我調(diào)溫能力的控制范圍以內(nèi)．并且提出通過監(jiān)測次級鐵芯溫度的變化來穩(wěn)定負載功率的方法，使人工心臟吸收功率穩(wěn)定在16W左右，滿足了人工心臟的功率要求．

[1] 馬紀梅．人工心臟的經(jīng)皮傳能系統(tǒng)的研究 [D]．天津：河北工業(yè)大學(xué)，2011．

[2] 史小麗，田偉．單向交通公路隧道內(nèi)空氣溫度場分析 [J]．河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，39（1）：112-115．

[3]KoppikarD A，VulkarniS，TurowskiJ．Fast3-dimensional interactiveComputation of stray field and losses in asymmetric transformers[J]．IEEE Proc-Gener，Transm Distrib，2000，147（4）：197-201．

[4] 柳再本，駱金海．干式變壓器溫升計算方法 [J]．變壓器，2007，5（6）：14-17．

[5] 卓勇．生物體內(nèi)置電裝置的外部供電模式研究 [D]．重慶：重慶大學(xué)，2007．

[6] 周煜，于歆杰，程錦閩．用于心臟起搏器的經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng) [J]．電工技術(shù)學(xué)報，2010，25（3）：48-53．

[7] 潘江如，孫穎，魯亞云，等．基于ANSYS的高凝點柴油供油系統(tǒng)的溫度場分析 [J]．河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，37（4）：49-54．

[責(zé)任編輯 代俊秋]

Temperature field research of transcutaneous transformer for artificial heart

MA Ji-mei，LIU Bo-ying，LI Yang，LIU Bo-hao
( School of Electrical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China )

Based on the theory of transcutaneousenergy transm ission(TET),the volumeheatproduction in each partof transcutaneous transformer iscalculatedwhen themagnetic circuitcoupling finiteelementisused on the potcore transcutaneoustransformer.With theuseof the coupled fluid field,solid field and temperature field,temperature field isanalyzed to obtain the changing situation of the secondary core temperature risingw ith theairgap,theaxialdisplacementand load power.And themaximum temperature risesup to 0.3 degreesw ithin the rangeof theautomatic temperature controlability of the human body.Thus,themethod thatmonitors temperature changes in the secondary to stabilize load power is put forward.In thisway,theabsorbing powerof theartificialheartisstabilized to 16W orso,whichmeets the power requirementof the artificialheart.Thisstudy helps to achieve safeand sound operation of transcutaneousenergy transm ission system of the artificialheart.

artificialheart;transcutaneous transformer;volume heatgeneration rate;finite element temperature field

1007-2373(2014)05-0033-04

TM 433

A

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.05.006

2014-04-12

河北省科技支撐計劃（12211802）；2013 年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目省級立項（201310080073）；2013 年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目國家級立項（201310080017）

馬紀梅（1978-），女（漢族），講師，博士．