Υπολογιστική μελέτη συστήματος χωρητικής μεταφοράς ενέργειας για ενεργά ιατρικά εμφυτεύματα
Creators: name: Γιακουμή, Αθανασία Αγγελου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Ασύρματη Μεταφορά Ενέργειας
Ενεργά Ιατρικά Εμφυτεύματα
Υπολογιστικός Ηλεκτρομαγνητισμός
Wireless Power Transfer
Active Medical Implants
Computational Electromagnetism

description: Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η υπολογιστική μελέτη ενός συστήματος χωρητικής μεταφοράς ενέργειας για ενεργά ιατρικά εμφυτεύματα. Πιο συγκεκριμένα, κάναμε λόγο για τις βασικές αρχές που διέπουν γενικά την ασύρματη μεταφορά ενέργειας και για την πορεία που έχει ακολουθήσει αυτή ανά τους αιώνες μέχρι και την ραγδαία ανάπτυξή της τα τελευταία χρόνια. Επιπλέον, ασχοληθήκαμε με τους διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους μπορεί κανείς να κατηγοριοποιήσει τα συστήματα ασύρματης μεταφοράς ενέργειας, καθώς και συγκρίναμε όλα τα σημεία των δύο κυρίαρχων μεθόδων της, την επαγωγική και την χωρητική μεταφορά ενέργειας. Στη συνέχεια μελετήσαμε με περισσότερη λεπτομέρεια τα συστήματα χωρητικής μεταφοράς ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, μελετήσαμε την αρχή λειτουργίας αυτών, τις συνθήκες κάτω από τις οποίες αποδίδουν το μέγιστο και το βέλτιστο κύκλωμα αντιστάθμισης για κάθε περίπτωση, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που προσφέρει το καθένα. Επίσης, δώσαμε βάση στην δομή ενός χωρητικού συζευκτή, δηλαδή τον αριθμό πλακών που τον απαρτίζουν και τον τρόπο διάταξης αυτών, καθώς και στην δομή ενός επαναλήπτη ηλεκτρικού πεδίου. Τέλος, παραθέσαμε τα βασικά ζητήματα που πρέπει να λάβει κανείς υπόψιν για την σχεδίαση ενός συστήματος χωρητικής μεταφοράς ενέργειας, τους περιορισμούς αυτών και τα ζητήματα ασφαλείας που πρέπει κανείς να προσέξει. Όσον αφορά της πρακτική προσέγγιση του θέματος, αναλύσαμε κανονισμούς ασφαλείας που βρίσκονται σε ισχύ αναφορικά με την έκθεση του ανθρώπινου οργανισμού στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και προσομοιώσαμε διάφορα μοντέλα ανθρωπίνου σώματος με την χρήση του λογισμικού SIM4Life, με σκοπό την μελέτη της επίδρασης τέτοιων συστημάτων στον άνθρωπο. Ξεκινήσαμε από πολύ απλές διατάξεις και στην συνέχεια ασχοληθήκαμε με πιο περίπλοκες, διερευνώντας ταυτόχρονα την μορφή που θα πρέπει να έχει ο εκπομπός, ώστε να παρέχει την βέλτιστη απόδοση και την απόκριση τέτοιων συστημάτων στην συχνότητα. Τέλος, κάναμε την αντίστοιχη μελέτη και σε πιο ολοκληρωμένα ανθρώπινα μοντέλα, συγκεκριμένα ενός άνδρα και μιας γυναίκας, έτσι ώστε να προσεγγίσουμε το ζήτημα από την πιο ρεαλιστική του σκοπιά. Στο τέλος της εργασίας, κάναμε μια σύνοψη της δουλειάς που έγινε και εξαγάγαμε κάποια συμπεράσματα ως προς την απόδοση του συστήματος συναρτήσει διαφόρων παραγόντων που μελετήθηκαν
description: The aim of the current thesis was the computational modeling of a capacitive power transfer system for active medical implants. More specifically, we talked of the basic principles that govern the wireless power transfer as a whole and of its course throughout the centuries till its radical development during the last decades. Moreover, we focused on the different ways to categorize wireless power transfer systems and on the comparison of its main two methods, the inductive and the capacitive power transfer. Then, we studied the capacitive power transfer systems in more detail. More specifically, we studied their working principle, the conditions under which they perform best and the optimal compensation circuit for each case, the pros and cons that each way has to offer. Moreover, we delved into the structure of a capacitive coupler, i.e the number of metallic plates it consists of and the way they are arranged, as well as into the structure of an electric field repeater. Finally, we presented the main aspects that someone has to keep in mind when designing a capacitive power transfer system, its limitations and the health issues that arise and need attention. As far as the practical approach of the topic is concerned, we analyzed safety regulations that are still in effect concerning human body exposure to electromagnetic radiation and additionally, we simulated various human body models through SIM4Life software, with the aim of studying the effect of such systems on man. We started off using simple set-ups and continued with more complex ones, investigating at the same time the shape that the transmitter must have, in order for it to bring the maximum efficiency and the frequency response such systems have. Finally, we conducted the same study for more complete human models, a man and a woman, with the aim of approaching the topic as realistically as possible. At the end of the current thesis, we conducted a synopsis of our work and reached conclusions concerning the system efficiency with respect to various aspects that have been studied