e
sv

Kalp Pili Uygulamaları için Kablosuz Güç Sistemini

25 okunma — 07 Mart 2021 20:53

Kablosuz enerji transferi veya kablosuz güç, elektrik enerjisinin bir güç kaynağından bir elektrik yüküne kablo olmadan aktarılmasıdır. Sırp doktor ve mühendis Nicolas Tesla, 1899 yılında kablosuz enerji transferi konseptini araştırmaya ve önermeye başlayan ilk bilim insanıdır. Nikola Tesla, Colorado Springs Laboratuarında elektrodinamik indüksiyon kullanarak elektrik ampullerini kablosuz olarak yakmayı başardı. Tesla’nın, elektriği Atlantik Okyanusu boyunca kablosuz olarak iletmek gibi büyük planları vardı.

Tesla'nın patentinden bir görüntü

Şekil 1 – Tesla’nın “elektrik enerjisini iletmek için bir cihaz” 1907 patentinden bir görüntü. [1]Kablosuz güç aktarımı teknolojisi, dünya çapında endüstrilerde sürekli olarak gelişmekte ve daha yaygın hale gelmektedir. Şekil 2, kablosuz enerji aktarımı pazarının gelişimini göstermektedir. 2012’de 1 milyarın altındaydı. Telefonlar ve tabletler piyasanın en yüksek miktarına sahip. 2022’de kablosuz sistemlerin büyümesinin 5 milyarı aşacağı tahmin ediliyor. Otomotiv endüstrisi ve savunma sanayisi de bu pazara katılacak.

Kablosuz güç için pazar eğilimleri
Şekil 2 –  Kablosuz güç için pazar eğilimleri [2]

Birçok farklı kablosuz güç aktarımı vardır; mikrodalga , endüktif kuplajlı ve lazer güç iletimi yöntemleri buna örnektir. Bu yazıdamızda Endüktif Güç Transferi (IPT) inceleyeceğiz.

IPT’nin fiziksel prensibi, bir transformatör mantığı ile aynıdır. Verici, yüksek frekanslı akımlara sahip bir dönüştürücü aracılığıyla beslenir. Zamanla değişen manyetik alanlar, alıcı sargısında Fraday’in indüksiyon yasasına göre bir EMF’yi indükler. İndüklenen EMF, doğrudan veya bir güç sistemi aracılığıyla bağlı yüke aktarılan akımları oluşturur. 

Endüktif kuplaj prensibi

Şekil 3 – Endüktif kuplaj prensibi [3]

IPT, yüksek güvenilirliği, verimliliği ve hızı sayesinde elektrikli araçlar gibi birçok uygulama alanında kullanılabilir. Elektrikli arabalar kablosuz olarak şarj edilebiliyor ve bu arabalar akıllı telefon ve dizüstü bilgisayarları kablosuz olarak şarj edebiliyor.

Elektrikli aracın kablosuz akü şarjı

Şekil 4 – Elektrikli aracın kablosuz pil şarjı [4]

Ayrıca kalp pili gibi insan vücuduna yerleştirilen ve giyilebilen tıbbi cihazlar için tıpta kullanılmaktadır.  Giyilebilir ve İmplant Edilebilir Tıbbi Cihazlar (WIMD) önem kazanıyor. İç organları izleme, uyarma ve düzenleme yetenekleri nedeniyle insan hayatını kurtarmakta ve uzatmaktadır.

Kalp Pilinin Görevi

Kalp pilleri, hastalık durumunda kalp atışını düzenlemek için kullanılır (Aritmi, düzensiz kalp atışı); İnsanın kalbi elektrik sistemi düzgün çalışmadığında, pille çalışan kalp pili, kalp atışını elektriksel bir dürtü ile normal ritmine döndürür. Geleneksel kalp pilleri, şarj edilemeyen pilleri nedeniyle periyodik olarak ameliyatla değiştirilmelidir. Harici bir bobin, gücü deri altına implante edilen bir alıcı bobine iletir. Alıcı bobini, kalp pili pili için enerji sağlayacaktır. Daha yakın zamanlarda, pilsiz kalp pilleri, Rice Üniversitesi ve Texas Kalp Enstitüsü [7] işbirliği ile icat edildi. Bu kalp pilleri, kurşun ve pil gerektirmediği için doğrudan kalbe implante edilir. Harici bir RF kablosuz sistemden güç alırlar. Kablosuz şarjlı pil veya RF kablosuz güç sistemi ile son bahsedilen kalp pili teknolojileri, kalp pillerinin ömrünü ve güvenilirliğini artırmak, tıbbi komplikasyonlara (kanama, enfeksiyon) neden olabilecek bakım ameliyatlarını azaltmak, esnek bir harici kontrol gibi çeşitli avantajlar sunabilir.

Geleneksel implante kalp pili

Şekil 5 –  Geleneksel implante edilmiş kalp pili [7]

Yeni geliştirilen kalp pili

Şekil 6 –  Yeni geliştirilmiş kalp pili [7]

SOLIDWORKS içinde EMS kullanılarak kalp pili pil şarjı için bir WPT analizi

Önerilen model [6], bir pacemaker pilini endüktif kuplaj ile şarj etmek için kullanılır. Şekil 5, simüle edilmiş modeli göstermektedir. Tasarlanan model, bir verici ve alıcı bobin, iki alüminyum levha ve iki ferrit çekirdekten oluşmaktadır. Girdap akımları yüksek frekanslarda artar çünkü hem elektrik alanı hem de insan vücudunun elektriksel iletkenliği frekans ile orantılıdır. Bu nedenle, incelenen WPT sistemi, Elektromanyetik Alanları (EMF) EMF standartları sınırları altında tutmak için düşük bir frekansta (20kHz) çalışır [8]. Düşük bir frekansta çalıştırmak WPT verimliliğini düşürecektir. Bu sorunun üstesinden gelmek için, sistem verimliliğini artırmak için alüminyum plakalar ve ferrit çekirdekler eklenir. 

Simüle edilmiş WPT sisteminin 3B CAD modeli

Şekil 7 –  Simüle edilmiş WPT sisteminin 3B CAD modeli

Bu makalede, WPT sistem parametreleri hesaplanacak ve analiz edilecektir. Harici devreye akuple edilmiş EMS’nin AC Manyetik modülü bu amaçla kullanılacaktır. Tablo 2 ana simülasyon özelliklerini içermektedir.

 Alüminyum levhalarDemir çekirdeklerBakırVerici ve Alıcı Bobini
Elektriksel iletkenlik (S / m)3.86e + 705.8e + 7
Bağıl geçirgenlik124000.99998
Dönüş sayısı10

WPT ve Koruyucu efektler için kalp pili

Şekil 7-10, farklı senaryolar için model tarafından üretilen manyetik akı yoğunluğunu gösterir. Ferromanyetik çekirdeksiz ve alüminyum plakasız model için, manyetik akı yoğunluğu birincil bobin etrafında simetriktir. Verici etrafındaki havaya önemli bir alan sızar. Alüminyum plakalı model durumunda, alıcıya alçak bir alan iletilir (Şekil 8). Demir çekirdekler eklendiğinde bir önceki duruma göre daha yüksek bir alan gözlemlenir (Şekil 9). Tam olarak, manyetik akı önceki durumlardan çok daha yüksektir. Vericiden alıcıya doğru doğrudan bir yol izliyor. Eklenen demir çekirdekler ve alüminyum plakalar, WPT sistemi tarafından üretilen manyetik akı için bir kalkan oluşturur. Manyetik kayıpları azaltır, insan vücudunu ve elektronik cihazları sızıntı alanlarından korur.

 Manyetik akı yoğunluğu dağılımı - demir çekirdekler ve alüminyum plakalar olmadan

Şekil 8 – Manyetik akı yoğunluğu dağılımı – demir çekirdekler ve alüminyum plakalar olmadan

Manyetik akı yoğunluğu dağılımı - demir çekirdeksiz

Şekil 9 –  Manyetik akı yoğunluğu dağılımı – demir çekirdeksiz

Manyetik akı yoğunluğu dağılımı - alüminyum plakalar olmadan

Şekil 10 –  Alüminyum plakasız manyetik akı yoğunluğu dağılımı

Manyetik akı yoğunluğu dağılımı - alüminyum plakalar ve demir çekirdeklerle

Şekil 11 –  Alüminyum plakalar ve demir çekirdeklerle manyetik akı yoğunluğu dağılımı

WPT modelinin devre parametreleri, 20kHz frekansta EMS kullanılarak hesaplanır. Tablo 1 bu sonuçları sürdürmektedir. 

 Endüktans
Tx
(uH)
Endüktans
Rx
(uH)
Direnç
Tx

( )
Direnç
Rx

( )
Karşılıklı Endüktans
TxRx

(uH)
Kaplin Katsayısı
EMS4.2783.78716.0519.2351,800.128
Referans [3]4.16853.700218.7821.8952.260.133

Hava aralığı mesafesinin kaplin katsayısına etkisi

WPT sisteminin bağlanması katsayısı formülü şudur:  k boşluk eşittir eğimli kesir payı M üzerinde payda karekökü L alt simge T x uç alt simge yıldız çarpı boşluk L alt simge R x uç alt simge uç kök bitiş kesir. WPT verimliliği kuplaj katsayısı [9], [10] ile artar. K değeri 0 ile 1 arasında değişir (mükemmel bağlantı). Mükemmel bağlantı durumunda, bir bobinin tüm akı hatları, ikinci bobinin tüm dönüşlerini keser, yani iki bobin birbirine sıkıca bağlanır, ortaya çıkan karşılıklı endüktans, iki bireyin geometrik ortalamasına eşit olacaktır. bobinlerin endüktansları ve indüklenen voltajlar birincil ve ikincil ilişkiyi karşılar eğimli V alt simge 1, V alt simge 2, N alt simge 2 üzerinden eğimli N alt simge 1'e eşittir.
Şekil 11, verici ve alıcıyı ayıran hava boşluğu mesafesine karşı manyetik akı yoğunluğu değişiminin bir animasyonunu göstermektedir. Bu amaçla parametrik bir AC Manyetik çalışma kullanılır.
Görüldüğü gibi ikincil bobine ulaşan manyetik akı yoğunluğu, hava boşluğu mesafesi arttığında ve tersine azalmaktadır.

Manyetik akı yoğunluğunun hava boşluğu mesafesine göre animasyonu

Şekil 12 –  Manyetik akı yoğunluğunun hava boşluğu mesafesine göre animasyonu

Şekil 12 ve 13, sırasıyla, birincil ve ikincil bobinler arasındaki karşılıklı endüktans ve birleştirme katsayısına karşı hava boşluğunun eğrilerini göstermektedir. Hava boşluğu mesafesi ile hem karşılıklı endüktans hem de kuplaj katsayısı azalır.

Hava boşluğu mesafesine karşı karşılıklı endüktans

Şekil 13 –  Karşılıklı endüktansa karşı hava boşluğu mesafesi

Hava boşluğu mesafesine karşı kaplin katsayısı

Şekil 14 –  Hava boşluğu mesafesine karşı kuplaj katsayısı

İkincil bobinde indüklenen voltaj Şekil 14’te gösterilmiştir. Kuplaj katsayısı ile aynı davranışa sahiptir. Şekil 15 oranını göstermektedir  eğimli V alt simge 2 üzerinden V alt simge 1. Bu oran, hava boşluğu mesafesinin artmasıyla azalır, çünkü birincil ve ikincil sargı arasındaki mesafe arttığında aktarılan enerji azalır. Bu sonuçlar, önceki ifadelerle çok iyi ilişkilidir.

Hava boşluğu mesafesine karşı indüklenen voltaj

Şekil 15 –  Hava boşluğu mesafesine karşı indüklenen voltaj

Gerilimlerin oranı

Şekil 16 –  Gerilimlerin oranı eğimli V alt simge 2 üzerinden V alt simge 1

Rezonansta çalışan WPT

WPT, rezonansta en yüksek verimiyle çalışır. Hem birincil hem de ikincil tarafa iki rezonans kapasitesi eklenir. Aşağıdaki şekil, EMS içindeki WPT sistemine bağlı harici devreyi göstermektedir. Kaynak ideal olarak kabul edilir (R = 0). Sargıların DC direnci devrede modellenmez çünkü bunlar otomatik olarak hesaplanır ve EMS içinde dahili olarak dikkate alınır.
Rezonans kapasitans değerleri aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır: omega alt simge r eşittir kesir payı 1 LC uç kök uç kesir paydası karekök

Şekil 17 – Kalp pili WPT sistemi için EMS içinde modellenmiş rezonans devresi

Şekil 17, hem verici hem de alıcı akımlarının çalışma frekansına karşı eğrisini gösterir. Üretilen maksimum akım, rezonans frekansındadır (20kHz). 

Şekil 18 –  Verici ve alıcı bobinlerinde frekansa karşı akımlar

İnsan vücudunun içindeki WPT sistemi

Bu bölümde, bir insan vücudunun içine yerleştirilen bir alıcının durumu analiz edilmektedir. Alıcı, cildin birkaç milimetre altında bulunurken, verici insan vücudunun dışında bulunur. İnsan vücudu, frekansla artan düşük elektrik iletkenliği ile karakterizedir. İncelenen endüktif kuplaj sistemi düşük bir frekansta çalıştığı için insan organlarında oluşan girdap akımları sıfıra yakındır. Şekil 18a) ve 18b), iç içe geçmiş modelin ön ve sağ görünümlerini içerir. Yüzey derinliğinde oluşan girdap akımlarını daha iyi yakalamak için alüminyum parçalara küçük bir ağ boyutu uygulanır. EMS mesher, örgülü bileşenlerdeki eğriliği algılama ve takip etme yeteneğine sahiptir. Bu, insan vücudunun bazı bölgelerindeki ince örgüyü açıklayabilir.

Kafesli model: a) Önden görünüm, b) Sağdan görünüm

Şekil 19 –  Fileli model: a) Önden görünüm, b) Sağdan görünüm

Şekil 19 a) ve 19 b), insan vücudundaki manyetik akı dağılımının enine kesit görünümlerini gösterir. İnsan vücudunun içindeki akı, koruyucu bileşenler nedeniyle alıcının etrafında yoğunlaşır. Manyetik alanın maksimum değeri, [11] ‘de yayınlanan standart sınırlardan (27 mikroTesla) daha az olan birkaç microTesla’dır.

: manyetik akı yoğunluğu dağılımının enine kesit görünümü;  a) Önden görünüm, b) İzometrik görünüm
: manyetik akı yoğunluğu dağılımının enine kesit görünümü;  a) Önden görünüm, b) İzometrik görünüm

Şekil 20 –  manyetik akı yoğunluk dağılımının enine kesit görünümü; a) Önden görünüm, b) İzometrik görünüm

Sonuç

Çeşitli avantajları nedeniyle, şarj edilebilir pil kalp pillerinin kullanımı daha yaygın hale gelmektedir. EMS, güçlü bir sayısal simülasyon yazılımı olarak, kalp pili pillerini şarj etmek için yüksek verimli kablosuz güç sistemleri tasarlamaya ve prototip oluşturmaya yardımcı olabilir. Ürünlerin güvenliğini sağlamaya da yardımcı olur. İncelenen model, düşük bir frekansta iyi bir verimlilik sağlamaya ve yüksek elektromanyetik alanlara maruz kalmayı önlemeye izin verir.

Referanslar

[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 / makaleler / uygulamalar — vakalar / uygulamalar — vakalar / ince ve verimli güç aktarımı / 980554
[5]: Pacemaker Pilini Şarj Etmek için Kablosuz Güç Aktarımı, Qazi Saeed Ahmad1Tarana A.Chandel2 , Saif Ahmad3 Department of Electronics & Communication Engg.IntegralUniv.Lucknow, Hindistan
[6]: Kalp pili uygulaması için kablosuz güç aktarımı, 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]: Yakın Menzilli Rezonant Kablosuz Güç Aktarım Sistemlerine İnsan Maruziyeti Tasarım Parametrelerinin bir Fonksiyonu olarak Xi Lin Chen, Aghuinyue E. Umenei, David W. Baarman, Nicolas Chavannes, Valerio De Santis, Juan R. Mosig ve Niels Kuster, ELEKTROMANYETİK UYUMLULUK ÜZERİNE IEEE İŞLEMLERİ
[9] Elektrikli Araçların Dinamik Şarjı için Yol Gömülü Verici Bobinli Kablosuz Güç Aktarım Sisteminin Tasarımı ve Değerlendirilmesi, 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, JAPONYA. Dünya Elektrikli Araç Dergisi Cilt. 6 – ISSN 2032-6653 – © 2013 WEVA Sayfa
[10]: 50 W’a Kadar Tüketici Amaçlı Elektrik Enerjisinin (Elektrik) Kablosuz (Güç Aktarımı) İletimi, Marek PIRI, Pavol SPANIK, Michal FRIVALDSKY, Anna KONDELOVA. GÜÇ MÜHENDİSLİĞİ VE ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ HACİM: 14 | SAYI: 1 | 2016 | MART
 [11]: ELEKTRİK VE MANYETİK ALANLARI DEĞİŞTİREN ZAMANA MARUZ KALMAYI SINIRLAMAK İÇİN ICNIRP KILAVUZU (1 HZ – 100 kHZ)

  • Site İçi Yorumlar

En az 10 karakter gerekli