Исследование способов уменьшения размеров имплантируемой части, в том числе размеров принимающей катушки системы индуктивной передачи энергии, является одним из актуальных направлений развития имплантируемых медицинских приборов. В то же время миниатюризация принимающей катушки индуктивности снижает устойчивость системы к смещениям, т. е. приводит к увеличению перепада мощности при изменении относительного положения принимающей и передающей катушек индуктивности. В связи с этим необходимо разрабатывать способы уменьшения размеров принимающей катушки индуктивности, позволяющие сохранить требуемую устойчивость к смещениям. В работе предложен способ уменьшения размеров принимающей катушки индуктивности, основанный на одновременном уменьшении размеров принимающей и увеличении размеров передающей катушек. В основу разработанного способа положен алгоритм проектирования катушек индуктивности, обеспечивающий достижение заданной устойчивости для заданного диапазона смещений. Результат работы алгоритма используется для минимизации размеров принимающей катушки, которая заключается в согласованном изменении размеров приемной и передающей катушек индуктивности до некоторой предельной точки, по достижении которой дальнейшее изменение размеров при сохранении заданных выходных характеристик оказывается невозможным. Разработанный способ верифицирован с помощью численного моделирования. По результатам расчетов установлено, что размеры (внешний радиус) принимающей катушки могут быть уменьшены на 30 %. Показано, что предельная точка достигается тогда, когда критическая связь между катушками возникает при заданном (номинальном) осевом расстоянии в отсутствие боковых смещений. Если при номинальном осевом расстоянии связь между катушками больше критической, то возможно уменьшение размеров принимающей катушки индуктивности.
1. Khan S. R., Pavuluri S. K., Cummins G., Desmulliez M. P. Y. Wireless power transfer techniques for implantable medical devices: A review // Sensors. 2020. Vol. 20. Iss. 12. Art. No. 3487. DOI: 10.3390/s20123487 EDN: YGBYJK
2. Haerinia M., Shadid R. Wireless power transfer approaches for medical implants: A review // Signals. 2020. Vol. 1. Iss. 2. P. 209-229. DOI: 10.3390/signals1020012 EDN: HOEOKR
3. Lee T.-S., Huang S.-J., Dai S.-H., Su J.-L. Design of misalignment-insensitive inductive power transfer via interoperable coil module and dynamic power control // IEEE Trans. Power Electron. 2020. Vol. 35. No. 9. P. 9024-9033. DOI: 10.1109/TPEL.2020.2972035 EDN: RHCRRB
4. Operation of inductive charging systems under misalignment conditions: A review for electric vehicles / V.-B. Vu, A. Ramezani, A. Triviño et al. // IEEE Trans. Transp. Electrif. 2022. Vol. 9. No. 1. P. 1857-1887. DOI: 10.1109/TTE.2022.3165465
5. Cortes I., Kim W.-J. Lateral position error reduction using misalignment-sensing coils in inductive power transfer systems // IEEE/ASME Trans. Mechatron. 2018. Vol. 23. No. 2. P. 875-882. DOI: 10.1109/TMECH.2018.2801250
6. An LCC-SP compensated inductive power transfer system and design considerations for enhancing misalignment tolerance /j. Yang, X. Zhang, K. Zhang et al. // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 193285-193296. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3032793 EDN: DLHVQB
7. Karimi M. J., Schmid A., Dehollain C. Wireless power and data transmission for implanted devices via inductive links: A systematic review // IEEE Sensors Journal. 2021. Vol. 21. No. 6. P. 7145-7161. DOI: 10.1109/JSEN.2021.3049918 EDN: PJYMVD
8. Covic G. A., Boys J. T. Inductive power transfer // Proc. IEEE. 2013. Vol. 101. No. 6. P. 1276-1289. DOI: 10.1109/JPROC.2013.2244536
9. Safety-optimized inductive powering of implantable medical devices: Tutorial and comprehensive design guide / N. Soltani, M. ElAnsary, J. Xu et al. // IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst. 2021. Vol. 15.No. 6. P. 1354-1367. DOI: 10.1109/TBCAS.2021.3125618
10. Schormans M., Valente V., Demosthenous A. Practical inductive link design for biomedical wireless power transfer: A tutorial // IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst. 2018. Vol. 12.No. 5. P. 1112-1130. DOI: 10.1109/TBCAS.2018.2846020
11. Singer A., Robinson J. T. Wireless power delivery techniques for miniature implantable bioelectronics // Adv. Healthcare Mater. 2021. Vol. 10. Iss. 17. Art. ID: 2100664. DOI: 10.1002/adhm.202100664 EDN: DOUXIF
12. The microbead: A highly miniaturized wirelessly powered implantable neural stimulating system / A. Khalifa, Y. Karimi, Q. Wang et al. // IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst. 2018. Vol. 12.No. 3. P. 521-531. DOI: 10.1109/TBCAS.2018.2802443
13. Freeman D. K., Byrnes S. J. Optimal frequency for wireless power transmission into the body: Efficiency versus received power // IEEE Trans. Antennas Propag. 2019. Vol. 67. No. 6. P. 4073-4083. DOI: 10.1109/TAP.2019.2905672
14. A modified wireless power transfer system for medical implants / Y. Ben Fadhel, S. Ktata, Kh. Sedraoui et al. // Energies. 2019. Vol. 12. Iss. 10. Art. No. 1890. DOI: 10.3390/en12101890
15. An algorithm for the computer aided design of coil couple for a misalignment tolerant biomedical inductive powering unit / A. A. Danilov, R. R. Aubakirov, E. A. Mindubaev et al. // IEEE Access. 2019. Vol. 7.P. 70755-70769. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2919259