用于人工心脏的经皮变压器的温度场分析

马纪梅，刘伯颖，李 洋，刘博豪

（河北工业大学 电气工程学院，天津 300130）

用于人工心脏的经皮变压器的温度场分析

马纪梅，刘伯颖，李 洋，刘博豪

（河北工业大学 电气工程学院，天津 300130）

以经皮传能理论为依托，在罐型经皮变压器的基础上利用有限元的磁路耦合功能，计算经皮变压器各部分的体积生热率；通过流体场、固体场和温度场的耦合，对经皮变压器进行温度场分析，得到次级铁芯温升值随气隙、轴向错位和负载功率的变化情况，其最高温升值为 0.3 度，处于人体的自我调温能力的控制范围以内；提出通过监测次级铁芯温度的变化来稳定负载功率的方法，使人工心脏吸收功率稳定在 16W 左右，满足了人工心脏的功率要求．为人工心脏经皮传能系统的安全和稳定运行提供了一定的参考价值．

人工心脏；经皮变压器；体积生热率；有限元；温度场

0 引言

针对现有内置式诊疗设备供能方式存在的问题，20 世纪 80 年代开始，国外科技人员纷纷研发经皮能量传输装置（TranscutaneousEnergy Transm ission System，TETS）．该技术可使体内有源诊疗设备不再由于电池能量耗尽而被迫更换，减轻了患者的经济和身体负担．本科研小组研制了人工心脏的TETS原理性样机．在文献 [1] 中，笔者阐述了该系统的工作原理和功能框架．即在人体外的原边线圈通入一定频率的交流，可以产生一个交变的磁场，位于人体内的副边线圈将感应到的磁场转变为同频的交变电场，能量得以传递到后续电 路 来 满 足 诊 疗 设 备 的 需 要 ． 本 系 统 经 皮 变 压 器 形 状 如 图1 和 图2 所 示 ． 其 中D1=59 mm，D2=49 mm ，D3=25mm ，d4=18mm ，d3=13mm ，原副边的间隙 gap 取决于人体皮肤的厚度，一般为 5 ～ 15mm ；原副边绕组分别为0.1mm × 70 共 25 匝的丝包线．整个系统采用初、次级串-串补偿方式．

1 经皮变压器温度场分析

1.1 经皮变压器体积生热率计算

在有限元软件中建立如图3 所示的磁路耦合图，V1是外加的有效值为 30V的交流电压源，R1是 25等效负载，通过标准线圈N1、N2连接于初、次级线圈有限元区域的横截面上．在 gap 和轴向错位变化下，测量各处能量损耗，并根据图2参数计算单位热源体积生热率[2]，结果如表1 和表2 所示．经皮变压器以铁芯损耗为主，并且初级铁芯要远远高于次级铁芯和初、次级线圈三者损耗之和，这是因为初级线圈上流经励磁电流，并且由于空气气隙和轴向错位，磁路没有完全闭合，次级线圈中磁感应强度较初级线圈的磁感应强度小，所以初级和次级铁芯中感应的电流密度不一致．随着 gap 和轴向错位的增大，变压器的传输效率下降，次级获得的能量降低，其损耗也相应减小．

1.2 经皮变压器温度场计算

建立如图4所示的二维轴对称模型．在初级铁芯的下面是和铁芯高度相同的流体场区域，宽度为铁芯宽度的2倍，此处为空气．次级铁芯上半部建立的是初、次级铁芯高度和次级铁芯植入深度之和的 1.2 倍的流体场区域[2]，因次级铁芯和线圈需完全植入人体腹部的皮下组织层处，所以此处的流体场区域为人体血液．变压器的初级线圈和次级线圈内部依靠热传导的方式传递热量，暴露在空气中和植入人体的各部分表面以自然对流和辐射的方式来传递热量[3]．在固体表面伴随着辐射散热问题，辐射面为初、次级铁芯，线圈的外表面．对称轴径向的速度为零；初级铁芯和线圈所处的下边界因固定到人体外，是无滑移边界条件，即轴向和径向的速度都为零，温度为环境温度，此处设为20℃ ；次级铁芯和线圈所处的上边界边界条件压力为零，温度为人体的动脉血温度，这里取 37℃ ；右边界既是入口也是出口，位于人体内的温度边界为37℃ ，初级铁芯侧环境温度为 20℃ ，压力为零．

1.3 结果分析

1.3.1 铁芯轴向温度分布

分别在初、次级铁芯 x=5mm处沿轴向方向做两条直线来分析温度在铁芯内部的分布．结果如图5和图6所示．次级铁芯温升值明显地小于初级铁芯温升值，并且随着高度的增加温升值基本呈线性变化，初级和次级侧温升最高点都出现在横轴高度最小处．这是因为，次级侧损耗要远远小于初级侧的损耗，因此其产生的热量也少很多．并且次级需完全植入人体，固体的导热能力远大于流体的导热能力；人体的血液循环也会带走大量的热量，而原边侧暴露在空气中，对流带走的热量少．因初级铁芯紧贴皮肤放置，所以初级铁芯在越靠近皮肤处因皮肤的良好热传导作用其温升越小．

1.3.2 铁芯径向温度分布

在初、次级铁芯高度一半时沿径向分析温升的分布情况，结果如图7和图8所示．整体上径向的温升很平均，因初级侧铁芯损耗大，初级温升明显高于次级温升．初、次级铁芯径向最高温升位于几何中心处，即 y=12.5mm和 y=23.5mm ，因为初、次级的线圈损耗小于对应的铁芯损耗，因此产生的热量也少，在线圈的中心位置处温升值最低．越远离中心处由于铁芯的热传导作用，温升逐渐上升．

图1 罐型铁芯平面图Fig.1 The2D structureof potcore for TETS

图2 实验用罐型经皮变压器Fig.2 Theactualstructureof potcore for TETS

图3 磁路耦合图Fig.3 Magnetic circuitcoupling of finite elementanalysissoftware

图4 流固模型Fig.4 Modelof solid and fluid

表1 初、次级铁芯和线圈的损耗随线圈气隙变化Tab.1 Lossand heatgeneration rate of the transcutaneous transformer vs.airgap

表2 初、次级铁芯和线圈的损耗随线圈轴向错位变化（ gap=5mm）Tab.2 Lossand heatgeneration rate of the transcutaneous transformervs.horizontaldisplacement(gap=5mm)

由图5和图7可知，次级铁芯无论是横向温升还是径向温升都在人体的自我调温能力的控制范围内，所以长时间内对人体没有伤害[5-6]．

图5 次级铁芯轴向温度分布Fig.5 Distribution of temperature in the secondary

图6 初级铁芯轴向温度分布Fig.6 Distribution of temperature in the primary

图7 次级铁芯径向温度分布Fig.7 Distribution of radial temperature in secondary

图8 初级铁芯径向温度分布Fig.8 Distribution of radial temperature in primary

1.3.3 次级铁芯温升值随 gap 和轴向错位变化

通过计算次级侧铁芯温升值随 gap 的变化结果如图9 所示．随着 gap 增大，经皮变压器的耦合能力下降，次级侧铁芯和线圈获得的能量减小，次级铁芯和线圈的能量损耗也降低，次级侧温升将下降．但由轴向错位引起的变化趋势并不明显，在此不再赘述．

1.3.4 次级铁芯温升值和负载功率的关系

由于人体呼吸和正常活动的影响，植入到人体的次级铁芯位置会发生一定的偏移．经测试在现有电源供电下初、次级铁芯气隙在 7.5 mm 时负载功率已降到 10W 以下[1]．当位置变化时次级侧的温升将相应变化，反过来也可以认为次级铁芯温升的变化可以反映初、次级线圈gap和轴向错位的变化．因此可以测量次级侧铁芯的温升值并将其与仿真的温升值对比来预测人工心脏的功率吸收情况，以便采取相应的措施来满足负载的功率要求．具体方法如下，将温度传感器尽量的置于次级侧铁芯附近，通过传感器来实时地测量次级铁芯温度，再通过无线通讯系统将温度信息传输到体外，根据温度的变化来预测体内铁芯距离和轴向错位的变化，因而可以通过调整初级侧铁芯的位置或者提高初级侧电源的输入功率来保证人工心脏的功率输入值相对稳定．由图10 可知，根据温度的变化来调整电源的视在功率可以使负载吸收功率稳定在 16W左右．

图9 次级铁芯温升值随初、次级铁芯气隙变化Fig.9 Temperature riseof secondary vs.air gap

图10 负载功率和交流电源的视在功率和次级铁芯温升值的关系Fig.10 Load powerand voltageof AC power source vs.temperature rise

2 结论

以有限元分析软件为基础，建立了用于人工心脏的经皮变压器的温度场，经研究表明次级铁芯无论是横向温升还是径向温升最高为 0.3 ℃ ，处于人体的自我调温能力的控制范围以内．并且提出通过监测次级铁芯温度的变化来稳定负载功率的方法，使人工心脏吸收功率稳定在16W左右，满足了人工心脏的功率要求．

[1] 马纪梅．人工心脏的经皮传能系统的研究 [D]．天津：河北工业大学，2011．

[2] 史小丽，田伟．单向交通公路隧道内空气温度场分析 [J]．河北工业大学学报，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，骆金海．干式变压器温升计算方法 [J]．变压器，2007，5（6）：14-17．

[5] 卓勇．生物体内置电装置的外部供电模式研究 [D]．重庆：重庆大学，2007．

[6] 周煜，于歆杰，程锦闽．用于心脏起搏器的经皮能量传输系统 [J]．电工技术学报，2010，25（3）：48-53．

[7] 潘江如，孙颖，鲁亚云，等．基于ANSYS的高凝点柴油供油系统的温度场分析 [J]．河北工业大学学报，2008，37（4）：49-54．

[责任编辑 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

河北省科技支撑计划（12211802）；2013 年大学生创新创业训练计划项目省级立项（201310080073）；2013 年大学生创新创业训练计划项目国家级立项（201310080017）

马纪梅（1978-），女（汉族），讲师，博士．