11、智能髋关节假体的多源供电机制探索

智能髋关节假体的多源供电机制探索

1. 能量收集器原型设计

为了实现智能髋关节假体的稳定供电，设计了三种不同类型的能量收集器。

• 平移式电磁发电机（TEEH） ：在髋关节假体内部设计了电磁功率换能器，它能将髋关节在展收和屈伸轴上的机械运动转化为电能。该发电机原型包含一个拉伸螺旋弹簧（K = 2.45 N/m，直径5 mm，导线截面积0.2 mm²）和两个钕圆盘磁铁N35（直径6 mm，高度6 mm，磁场强度1.22 T）。磁铁悬浮在聚四氟乙烯管（cm = 0.04）内，管上缠绕着漆包铜线（直径0.1 mm，长度27 mm，电阻率1.72 × 10⁻⁸ Ωm，匝数N = 2000，总导线电阻124.4 Ω），该管连接到髋关节假体固定装置上。
• 旋转式电磁发电机（REEH） ：利用髋关节假体的模块化球头和髋臼组件设计了电磁换能器。能量从围绕屈伸轴和内外旋转中收集。球头被挖空以容纳漆包铜线（AWG 42，直径0.063 mm）的圆形绕组，该绕组缠绕在聚四氟乙烯管（直径5.8 mm，长度12 mm）上（匝数N = 4710，总导线电阻682 Ω，线圈总长度117.1 m，平均直径7.92 mm），管的核心是一个钢圆柱体（直径4 mm，长度14 mm，相对磁导率100）。24个钕圆盘磁铁N52（直径6 mm，高度2 mm，磁场强度1.48 T）放置在髋臼组件的结构上，以在球头的上半部分体积上设置磁力线。
• 压电发电机（PEH） ：设计用于从髋关节的轴向载荷中收集能量。一个压电陶瓷隔膜（型号7BB - 12 - 9，村田公司，日本京都），直径9