随着电子技术及芯片领域的快速发展,生物工程技术也出现了革新,越来越多的植入式医疗设备提高了病患的治愈率和存活率。心脏起搏器作为使用率最高的可植入人体的医疗设备,其技术和功能已经比较完善。但是,目前在临床上使用的心脏起搏器,依然采用传统的锂碘电池供电方式。由于心脏起搏器的供电系统与起搏部分是一体的,因此,当电能耗尽时,必须通过手术更换整个心脏起搏器。植入式心脏起搏器一经安装,则会伴随患者一生,治疗期间反复手术不仅容易引发感染、伤口不愈等并发症,更会对患者的心理造成压力。针对这一实际问题,本文以心脏起搏器供电系统为研究对象,建立谐振耦合无线能量传输系统模型,基于电磁感应定律和耦合模理论对系统的传输机理进行分析。研究系统的电路结构,分析不同补偿拓扑对于系统谐振补偿性能的影响。针对心脏起搏器尺寸小,生物安全性要求高的特点,设计研究适用于心脏起搏器无线能量传输系统的谐振线圈结构,并对不同参数进行分析,选定系统最优运行参数。将所设计系统载入人体模型,进行电磁暴露安全评估,判定该系统的生物安全性。主要研究内容如下:(1)运用电磁感应理论和耦合模理论分析系统能量传输原理,通过数学建模分析,明确谐振耦合无线能量传输的基本特点与前提条件。(2)通过对四种不同的补偿拓扑结构的数学建模分析和仿真验证的结果对比,结合心脏起搏器的生物安全性要求,综合考虑,最终得出心脏起搏器无线能量传输系统最适用的谐振补偿拓扑结构。(3)基于有限元仿真软件,综合考虑系统的结构特点和传输性能要求,设计研究出四种不同的谐振线圈结构。通过有限元仿真分析,对比四种不同结构线圈的传输性能和特点,分析其对系统输出功率和输出电压,以及周围环境的磁通密度大小的影响,最终决定采用8字-圆形线圈作为谐振线圈。(4)研究分析不同参数对系统输出性能的影响,通过参数化扫描,合理范围内改变各参数数值,确定谐振频率、工作频率、工作电压、初次级线圈传输距离和线圈匝数等参数对输出功率的影响。基于参数化扫描,选定系统最优运行参数。(5)建立人体三维仿真模型,将心脏起搏器无线能量传输系统载入,进行电磁场数值模拟与分析,评估心脏起搏器无线能量传输系统对人体各部分的电磁暴露情况,将人体模型所受到的感应磁通密度和感应电场强度的最大值与国际非电离辐射防护委员会(International commission on non-ionizing radiation protection,ICNIRP)制定的电磁暴露防护导则,以及我国原环境保护部制定的《电磁环境控制限值》(GB-8702-2014)电磁暴露防护限值进行对比,结果表明,所设计的心脏起搏器无线能量传输系统符合国内外电磁暴露安全性的要求。