分形几何在抑制金属介质涡流效应上的应用研究

Rechargeable deep brain stimulators (DBS) provide an interface of brain research with the opportunity of long term clinical monitoring and recording deep brain electrical signals. However, metallic media (e.g. housing of DBS and printed circuit board (PCB)) increase heat risk of the device during wirelessly charging due to eddy current effects. This reduces the charging efficiency and limits the device miniaturization. Concerning this issue, I proposed the approach of etching fractal pattern slots in metals to suppress the eddy currents in my dissertation. This application is a further study. First, we intend to investigate the relationship between the suppressing results and fractal parameters in order to reveal the key to suppress the eddy currents for fractal geometry. Second, we study the size and shape optimization of fractal patterns, and try the pattern consisted of multiple fractal patterns. Further, we intend to propose the adaptive optimization of fractal patterns from the view of topology optimzation. These instudies could promote faster and safer wirelessly charging, and smaller device.

可充电DBS为长期临床监测和记录脑深部电信号进而研究大脑提供了接口，而无线充电过程中DBS金属外壳、PCB板等金属介质由于涡流效应增加了装置的热风险，这不仅降低了充电效率，还限制了装置的进一步小型化。针对这一问题，申请人在博士论文中提出了在金属介质上进行分形图案切槽的方法抑制其涡流效应，本研究是在此基础上的深入和延续。首先，拟从分形几何参数角度，研究金属介质涡流效应的抑制效果与分形维数、分形阶数、分形尺度比、几何尺度比等重要参数的关系，揭示分形几何抑制涡流效应的关键所在。其次，从尺寸优化、形状优化、多种分形图案组合等角度研究分形几何图案的优化，进一步尝试从拓扑优化的角度构造分形几何图案的自适应优化设计方案。该研究可为实现更快更安全的无线充电、设计更小体积的可充电植入式装置提供指导规范和技术手段。

无线充电是实现植入式产品长期监测大脑信号以研究大脑的必备技术。前期研究表明，植入产品无线充电时的涡流损耗是限制充电功率和效率的重要因素，这导致了充电时间长以及充电热伤害事件。项目在博士论文研究基础上，研究了分形图案的迭代次数、维数、物理尺度比、频率等参数对涡流损耗的抑制效果，对比了分形几何和欧式几何作为金属平板切槽图案的涡流损耗抑制效果，提出了一种面向非规则图形的切槽图案的自适应设计方法。对于某一选定的分形图案，存在最佳迭代次数使得金属的涡流损耗最小，选用的分形图案的物理尺度比越大、系统频率越低，则该分形图案的最佳迭代次数越小。欧式几何中具有自适应生长性质的螺旋线作为切槽图案时，极径增加速度快的阿基米德螺旋和二次螺旋在有效降低涡流损耗的同时，可有效缩短切槽总长度。分形几何和欧式几何作为切槽图案，二者抑制金属涡流损耗的效果相当，但分形几何图案构造简单，在简单的规则下迭代产生，且优化设计不依赖金属几何参数。提出了一种面向非规则图形的切槽图案的“网格化分割—图案构造—网格连接”的自适应设计方法，该方法可有效解决实际工程应用中面向复杂边界形状的金属介质的涡流损耗抑制方案设计。