CN102710031B - 二自由度无线能量传输装置 - Google Patents

Abstract

二自由度无线能量传输装置，属于人体植入设备的能量供给技术领域。它解决了现有无线能量传输装置当负载位置发生变化，会使线圈间的耦合系数减小，造成传输能量降低的问题。所述装置包括能量外部发送部分和能量内部接收部分，能量发送部分包括双谐振线圈，能量接收部分主要为分布绕制在圆筒形支撑件上的线圈，该线圈均匀分布在圆筒形支撑件外表面上，并按照圆周分散布置，且分为两个部分，每部分各占圆周方向的二分之一，第一接收线圈和第二接收线圈具有二自由度的无指向性。本发明适用于人体植入设备的能量供给。

Description

二自由度无线能量传输装置

技术领域

本发明涉及一种二自由度无线能量传输装置，属于人体植入设备的能量供给技术领域。

背景技术

近年来，人体植入设备成为新型研究方向。通过将传感器放置于人体内部可以直接检测某些生物信号和图像等。便于快速诊断和减少患者的痛苦。但由于人体的特殊性，体内装置微小化、高功能等的需求，通常的携带电池方式在安全性、能量大小和体积重量等方面难以满足要求。因此，采用无线能量传输方式实时供给传感器能量，成为一个有效的解决手段。

无线能量传输方式通过高频耦合磁场，通过线圈的耦合作用将能量无线地传输至人体内部的用电装置。该类系统在使用的时候，在被检测体的外部放置能量发送线圈产生高频磁场，在被检测体内放置接收线圈，通过线圈间的耦合磁场传输能量。现有能量传输装置中的能量接收线圈一般采用米绕结构，这种线圈结构，在导线间电容增加后，会导致等效电阻变大，品质因数降低。由于体内胶囊等植入设备的位置并不一定固定，因此在其位置改变之后，会造成能量发送线圈与能量接收线圈间的耦合系数减小，进而造成传输能量降低。

发明内容

本发明是为了解决现有无线能量传输装置当负载位置发生变化，会使线圈间的耦合系数减小，造成传输能量降低的问题，提供一种二自由度无线能量传输装置。

本发明所述二自由度无线能量传输装置，它包括能量发送装置和能量接收装置，所述能量发送装置包括交流输入电源、能量发送内线圈、能量发送外线圈、第一外谐振电容、第二外谐振电容和高频放大器，所述能量接收装置包括中空的圆筒形支撑件、第一接收线圈、第二接收线圈、第一接收电容第二接收电容、第一整流电路、第二整流电路、高频滤波电路和DC-DC变换器，

能量发送内线圈和能量发送外线圈同轴共平面放置形成能量发送线圈，该能量发送线圈紧贴被检测体一侧放置或者环绕在被检测体外侧，能量发送内线圈与第一外谐振电容组成激励谐振电路，高频放大器用于为该谐振电路提供高频激励信号，高频放大器由交流输入电源提供工作电源；能量发送外线圈与第二外谐振电容组成耦合谐振电路，该耦合谐振电路与激励谐振电路通过磁场相互耦合；

圆筒形支撑件上缠绕有第一接收线圈和第二接收线圈，第一接收线圈和第二接收线圈通过耦合磁场接收能量发送装置发射的能量，

第一接收线圈和第二接收线圈正交设置，所述两个线圈均沿圆筒形支撑件的轴向缠绕，并且通过圆筒形支撑件两端面的圆心；

第一接收线圈和第一接收电容形成谐振电路，第二接收线圈和第二接收电容形成谐振电路，两个谐振电路的输出端分别通过第一整流电路和第二整流电路整流后，同时经高频滤波电路滤波，最后经DC-DC变换器变换成负载所需的直流电平输出。

所述第一接收线圈和第一接收电容形成的谐振电路与第二接收线圈和第二接收电容形成的谐振电路的谐振频率相同。

本发明的优点是：本发明是一种无线能量传输装置，该能量传输装置的能量接收部分可放置于人体内部，用作体内监测装置的能量供应，例如用于胶囊内窥镜的能量供给，它能从被检测体的外部向被检测体内部实时提供能量。

本发明装置在体内胶囊式负载作两自由度运动的情况下，不会影响外部能量发送部分的能量传输。本发明装置设计紧凑、体积较小。能量发送部分采用两个能量发送谐振线圈，有利于阻抗匹配及提高传输功率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为能量发送线圈安装在被检体侧面的示意图；

图3为能量发送线圈环绕在被检体外侧的示意图；图2和图3中B表示被检体，C表示负载，外部电路表示连接的其它电路元件；

图4为第一接收线圈和第二接收线圈的第一种缠绕方式的缠绕示意图；

图5为第一接收线圈和第二接收线圈的第二种缠绕方式的缠绕示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述二自由度无线能量传输装置，它包括能量发送装置和能量接收装置，所述能量发送装置包括交流输入电源1-1、能量发送内线圈1-2、能量发送外线圈1-3、第一外谐振电容1-4、第二外谐振电容1-5和高频放大器1-6，所述能量接收装置包括中空的圆筒形支撑件2-1、第一接收线圈2-2、第二接收线圈2-3、第一接收电容2-4第二接收电容2-5、第一整流电路2-6、第二整流电路2-7、高频滤波电路2-8和DC-DC变换器2-9，

能量发送内线圈1-2和能量发送外线圈1-3同轴共平面放置形成能量发送线圈，该能量发送线圈紧贴被检测体一侧放置或者环绕在被检测体外侧，能量发送内线圈1-2与第一外谐振电容1-4组成激励谐振电路，高频放大器1-6用于为该谐振电路提供高频激励信号，高频放大器1-6由交流输入电源1-1提供工作电源；能量发送外线圈1-3与第二外谐振电容1-5组成耦合谐振电路，该耦合谐振电路与激励谐振电路通过磁场相互耦合；

圆筒形支撑件2-1上缠绕有第一接收线圈2-2和第二接收线圈2-3，第一接收线圈2-2和第二接收线圈2-3通过耦合磁场接收能量发送装置发射的能量，

第一接收线圈2-2和第二接收线圈2-3正交设置，所述两个线圈均沿圆筒形支撑件2-1的轴向缠绕，并且通过圆筒形支撑件2-1两端面的圆心；

第一接收线圈2-2和第一接收电容2-4形成谐振电路，第二接收线圈2-3和第二接收电容2-5形成谐振电路，两个谐振电路的输出端分别通过第一整流电路2-6和第二整流电路2-7整流后，同时经高频滤波电路2-8滤波，最后经DC-DC变换器2-9变换成负载所需的直流电平输出。

本实施方式中，二自由度无线能量传输装置包括能量外部发送部分和能量内部接收部分。能量发送部分包括双谐振线圈，能量接收部分主要为分布绕制在圆筒形支撑件2-1上的线圈，该线圈均匀分布在圆筒形支撑件2-1外表面上，并按照圆周分散布置，且分为两个部分，每部分各占圆周方向的二分之一，第一接收线圈2-2和第二接收线圈2-3具有二自由度的无指向性。

本实施方式式中，第一接收线圈2-2和第二接收线圈2-3的每匝均沿圆筒形支撑件2-1的纵向轴线剖面绕制，相邻绕线之间首尾相边，每次缠绕后均沿圆周移动一定角度，即线圈各匝平均分布在圆周上。

本实施方式中，第一接收线圈2-2和第二接收线圈2-3在圆筒形支撑件2-1上分布布置，有利于减少每匝间的耦合电容，有利于提高线圈的品质因数；第一接收线圈2-2和第二接收线圈2-3在圆周方向上相互垂直，则当接收线圈总体在两自由度运动时，可以保证两个接收线圈中至少有一个可以处于较好的能量接收角度，因而会有至少一个线圈与外部的能量发送线圈有较大的耦合系数，且两个接收线圈分别与独立的耦合电容构成谐振电路，再通过各自的整流电路与滤波电路连接，由于两部分的相对独立，使得能量接收装置在二自由度条件下，任意旋转不影响能量传输；第三，由于线圈分布在圆筒形支撑件2-1的外表面，圆筒形支撑件2-1内部空间可布置其他用电设备。因而还具有设计紧凑、体积较小的优点。

能量发送内线圈1-2和能量发送外线圈1-3共平面放置，有利于减小装置的体积。两个能量发送线圈可制成薄型线圈，可在穿戴背心等情况下实时向体内装置供电。

本发明装置的工作过程：交流输入电源1-1将电网能量转换为高频放大器1-6所需的直流电平，该直流电平经高频放大器1-6放大后，激励能量发送内线圈1-2和第一外谐振电容1-4组成的谐振电路谐振，产生高频磁场。该高频磁场与能量发送外线圈1-3相交链，同时激励能量发送外线圈1-3与第二外谐振电容1-5组成的谐振电路谐振。

第二外谐振电容1-5应采用较小的电容值，能量发送外线圈1-3采用较大的电感值，如此使得总线路中电阻值较小，则其品质因数较大；由于能量发送外线圈1-3与第二外谐振电容1-5组成的谐振电路品质因数较高，及能量发送外线圈1-3与能量发送内线圈1-2构成的互感电路的阻抗匹配作用，会产生较大的磁场A，第一接收线圈2-2和第二接收线圈2-3通过耦合磁场A接收外部传送的能量。由于两个接收线圈为相正交的两个部分，因此，在圆筒形支撑件2-1旋转时，不影响能量的接收，能够达到二自由度的能量接收。然后两个谐振电路分别经整流电路整流，再经滤波电路滤波后，滤波为直流电平供给DC-DC变换器2-9，再供给负载。

图2所示，能量发送内线圈1-2和能量发送外线圈1-3布置在被检体的一侧。其它电路连接关系与上述相同。

图3所示，能量发送内线圈1-2和能量发送外线圈1-3环绕在被检测体的外侧，其它电路连接关系与上述相同。

图4所示为第一接收线圈2-2和第二接收线圈2-3均匀分布在圆筒形支撑件2-1的外部。两个接收线圈各占圆周的二分之一。各线圈间的间隔相同，均匀绕制在圆筒形支撑件2-1的外表面。

图5为第一接收线圈2-2和第二接收线圈2-3均匀分布在圆筒形支撑件2-1的外部。第一接收线圈2-2和第二接收线圈2-3的中心线相互垂直，第一接收线圈2-2和第二接收线圈2-3的相邻区域的间隔略大，但四个相间隔的区域的间隔相同。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述第一接收线圈2-2和第一接收电容2-4形成的谐振电路与第二接收线圈2-3和第二接收电容2-5形成的谐振电路的谐振频率相同。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，高频放大器1-6输出的信号频率范围是10kHz到30MHz。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，高频放大器1-6输出的信号电流或电压的范围与其所需功率相对应。

本发明装置中，能量发送内线圈1-2和能量发送外线圈1-3分别与第一外谐振电容1-4和第二外谐振电容1-5构成谐振电路，每个能量发送线圈的匝数应使其电感量与电容值相配合，达到工作的谐振频率。能量发送线圈应采用高频利兹线或者多股线，以减少高频条件下的电阻。

能量发送内线圈1-2组成的谐振电路与能量发送外线圈1-3组成的谐振电路之间的谐振频率应一致或者差别在10%以内。

Claims (4)

1.一种二自由度无线能量传输装置，它包括能量发送装置和能量接收装置，其特征在于：所述能量发送装置包括交流输入电源(1-1)、能量发送内线圈(1-2)、能量发送外线圈(1-3)、第一外谐振电容(1-4)、第二外谐振电容(1-5)和高频放大器(1-6)，所述能量接收装置包括中空的圆筒形支撑件(2-1)、第一接收线圈(2-2)、第二接收线圈(2-3)、第一接收电容(2-4)第二接收电容(2-5)、第一整流电路(2-6)、第二整流电路(2-7)、高频滤波电路(2-8)和DC-DC变换器(2-9)，

能量发送内线圈(1-2)和能量发送外线圈(1-3)同轴共平面放置形成能量发送线圈，该能量发送线圈紧贴被检测体一侧放置或者环绕在被检测体外侧，能量发送内线圈(1-2)与第一外谐振电容(1-4)组成激励谐振电路，高频放大器(1-6)用于为该谐振电路提供高频激励信号，高频放大器(1-6)由交流输入电源(1-1)提供工作电源；能量发送外线圈(1-3)与第二外谐振电容(1-5)组成耦合谐振电路，该耦合谐振电路与激励谐振电路通过磁场相互耦合；

圆筒形支撑件(2-1)上缠绕有第一接收线圈(2-2)和第二接收线圈(2-3)，第一接收线圈(2-2)和第二接收线圈(2-3)通过耦合磁场接收能量发送装置发射的能量，

第一接收线圈(2-2)和第二接收线圈(2-3)正交设置，所述第一接收线圈(2-2)和所述第二接收线圈(2-3)均沿圆筒形支撑件(2-1)的轴向缠绕，并且通过圆筒形支撑件(2-1)两端面的圆心；

第一接收线圈(2-2)和第二接收线圈(2-3)均匀分布在圆筒形支撑件(2-1)外表面上，并按照圆周分散布置，且分为两个部分，每部分各占圆周方向的二分之一，第一接收线圈(2-2)和第二接收线圈(2-3)具有二自由度的无指向性；

第一接收线圈(2-2)和第二接收线圈(2-3)的每匝均沿圆筒形支撑件(2-1)的纵向轴线剖面绕制，相邻绕线之间首尾相连，线圈各匝平均分布在圆周上；

第一接收线圈(2-2)和第一接收电容(2-4)形成谐振电路，第二接收线圈(2-3)和第二接收电容(2-5)形成谐振电路，两个谐振电路的输出端分别通过第一整流电路(2-6)和第二整流电路(2-7)整流后，同时经高频滤波电路(2-8)滤波，最后经DC-DC变换器(2-9)变换成负载所需的直流电平输出。

2.根据权利要求1所述的二自由度无线能量传输装置，其特征在于：所述第一接收线圈(2-2)和第一接收电容(2-4)形成的谐振电路与第二接收线圈(2-3)和第二接收电容(2-5)形成的谐振电路的谐振频率相同。

3.根据权利要求1或2所述的二自由度无线能量传输装置，其特征在于：高频放大器(1-6)输出的信号频率范围是10kHz到30MHz。

4.根据权利要求1或2所述的二自由度无线能量传输装置，其特征在于：高频放大器(1-6)输出的信号电流或电压的范围与其所需功率相对应。