CN107482789A - 基于胶囊内窥镜无线充电用的平面增强型磁谐振发射线圈 - Google Patents

基于胶囊内窥镜无线充电用的平面增强型磁谐振发射线圈 Download PDF

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Abstract

本发明公开了医疗设备领域内的基于胶囊内窥镜无线充电应用的平面磁场增强型可穿戴磁谐振发射线圈，包括连接在驱动电路输入端的电源，驱动电路的输出端连接有驱动线圈Lt0，驱动电路与驱动线圈Lt0之间连接有驱动谐振电容Ct0，其特征在于，驱动线圈Lt0绕设成平面螺旋状固定在第一磁片上，驱动线圈Lt0一旁对应设置有谐振装置，谐振装置包将谐振线圈Lt1两端串联成回路的第一谐振电容Ct1，谐振线圈Lt1绕设成平面螺旋状固定在第二磁片上，驱动线圈Lt0与谐振线圈Lt1相向布置，谐振线圈Lt0和Lt1采用紧凑平面螺旋线结构，前后引入具有高初始磁导率铁氧体软磁片并且紧贴谐振线圈，本发明结构简单，电路易于设计和加工实现，可用于胶囊内窥镜中。

Description

基于胶囊内窥镜无线充电用的平面增强型磁谐振发射线圈
技术领域
本发明涉及一种胶囊内窥镜，特别涉及一种胶囊内窥镜充电线圈。
背景技术
无线充电技术在生物医疗领域应用广泛。在无痛肠胃检测的胶囊内窥镜，无线充电技术能够解决传统纽扣电池功率容量的局限性，能够提供持续稳定的直流电压，在保证胶囊内窥镜在肠道内复杂的环境中正常稳定的工作具有重要作用，同时为有效的诊断提供保障。
在胶囊内窥镜无线充电应用中，发射线圈作为系统关键部分有效地将驱动电路产生的交变电场转化成交变磁场，进而耦合到胶囊内窥镜三维接收线圈上，并且通过整流器和稳压器产生持续稳定的直流功率输出，提供胶囊内窥镜稳定工作保障。通常基于胶囊内窥镜无线充电应用的发射线圈主要包括两种形式：(1)螺线管线圈；(2)亥姆霍兹线圈。螺线管线圈如图1所示，电路结构简单，易于设计和加工实现。但其主要缺点是驱动电路产生的电场通过螺线管线圈后的磁场在胶囊内窥镜工作区域空间分布不均匀，因此接收电路产生的直流功率随着空间位置不同而产生输出功率不稳定特点，不能够保证胶囊内窥镜的持续有效工作；不仅如此，这种输出功率不稳定性特点增加了在发射线圈下人体组织或者皮肤的受损害风险，尤其是随着线圈中激励电流的持续增加，人体组织或者皮肤的损害风险也在持续增加。基于螺线管产生的磁场强度空间分布不均匀的缺点，亥姆霍兹线圈通过导线将单一螺线管线圈分开如图2所示，实现两个线圈同时产生磁场并且在同一方向进行叠加，从而解决了螺线管线圈存在的问题，实现了胶囊内窥镜工作区域内均匀的磁场强度，降低了人体组织或者皮肤受到伤害的风险。但是亥姆霍兹等效的两个发射线圈产生的磁场存在一定的相位差，在磁场强度叠加的过程中，部分磁场能量损耗，对胶囊内窥镜无线充电系统的效率最大化有着很大的影响。亥姆霍兹线圈应用中，为了提高磁感应强度，一般通过增加线圈匝数，但是增加匝数意味着线圈的电感增大，对于相同的驱动电流而言，需要更大的驱动电压，加大驱动电路设计难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于胶囊内窥镜无线充电用的平面增强型磁谐振发射线圈，一方面提高胶囊内窥镜工作的谐振腔内部磁场强度和磁场均匀性，降低了人体组织或者皮肤受到伤害的风险并且有效保证胶囊内窥镜长时间正常稳定工作的可能性；另一方面，通过磁谐振的能量传输方式有效降低发射线圈的驱动电压，进而降低驱动电路的设计难度。
本发明的目的是这样实现的：一种基于胶囊内窥镜无线充电用的平面增强型磁谐振发射线圈，包括连接在驱动电路输入端的电源，所述驱动电路的输出端连接有驱动线圈Lt0，驱动电路与驱动线圈之间连接有驱动谐振电容 Ct0，驱动线圈Lt0绕设成平面螺旋状固定在第一磁片上，驱动线圈Lt0一旁对应设置有谐振装置，所述谐振装置包将谐振线圈Lt1两端串联成回路的第一谐振电容Ct1，所述谐振线圈Lt1绕设成平面螺旋状固定在第二磁片上，所述驱动线圈Lt0与谐振线圈Lt1相向布置。
作为本发明的进一步限定，所述谐振线圈Lt1与驱动线圈Lt0规格以及绕线方向相同且采用紧凑螺旋线结构；所述谐振电容Ct1与驱动谐振电容Ct0规格相同，第一磁片与第二磁片规格相同。
作为本发明的进一步限定，所述谐振线圈Lt1与驱动线圈Lt0之间平行布置。
作为本发明的进一步限定，所述谐振线圈Lt1与驱动线圈Lt0的距离D满足：D＝R，其中，R是驱动线圈Lt0半径。
作为本发明的进一步限定，所述第一磁片和第二磁片均选用具有高磁导率的铁氧体软磁片。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过在发射电路的驱动线圈相对人体引入同驱动线圈相同规格的谐振线圈，通过磁谐振原理和具有高磁导率的铁氧体软磁片束缚发射线圈产生的磁感线，一方面有效提高胶囊内窥镜工作的谐振腔内部磁场强度和磁场均匀性，降低了人体组织或者皮肤受到伤害的风险并且有效保证胶囊内窥镜长时间正常稳定工作的可能性；另一方面，通过磁谐振的能量传输方式有效降低发射线圈的驱动电压，进而降低驱动电路的设计难度；同时，本发明结构简单，电路易于设计和加工实现。本发明可用于胶囊内窥镜中。
附图说明
图1为现有技术中螺线管线圈形式的发射线圈电路原理示意图。
图2为现有技术中亥姆霍兹线圈形式的发射线圈电路原理示意图。
图3为本发明电路原理示意图。
图4为本发明电路等效示意图。
图5为本发明的时域波形示意图。
图6为本发明中线圈等效结构示意图。
图7为本发明中线圈等效结构简化版示意图。
具体实施方式
如图3所示的一种基于胶囊内窥镜无线充电用的平面增强型磁谐振发射线圈，包括连接在驱动电路输入端的电源，驱动电路的输出端连接有驱动线圈Lt0，驱动电路与驱动线圈之间连接有驱动谐振电容Ct0，驱动线圈Lt0绕设成平面螺旋状固定在第一磁片上，驱动线圈Lt0一旁对应设置有谐振装置，谐振装置包将谐振线圈Lt1两端串联成回路的第一谐振电容Ct1，谐振线圈Lt1绕设成平面螺旋状固定在第二磁片上，驱动线圈Lt0与谐振线圈Lt1相向布置，谐振线圈Lt1与驱动线圈Lt0规格相同且采用紧凑螺旋线结构；谐振电容Ct1与驱动谐振电容Ct0规格相同，第一磁片与第二磁片规格相同，谐振线圈Lt1与驱动线圈Lt0之间平行布置，谐振线圈Lt1与驱动线圈Lt0的距离D满足： D＝R，其中，R是驱动线圈Lt0半径，第一磁片和第二磁片均选用具有高磁导率的铁氧体软磁片。
下面结合工作原理对本发明做进一步说明。
本发明通过在驱动线圈Lt0(即发射谐振线圈)相距D在人体背后引入谐振线圈Lt1作为接收谐振线圈，从而实现谐振腔内部磁感应强度、均匀性等性能的增强，图4所示；发射谐振线圈Lt0通以交变电流i1(t)＝I1sinωt，进而产生交变磁场，接收谐振线圈Lt1毗邻发射谐振线圈Lt0，同时两线圈的绕线方向一致，即同名端一致，假设电感值为L，谐振电容值为C；图4所示，发射谐振线圈Lt0通以电流i1(t)＝I1sinωt，在一个周期[0,T]内对应的时域波形为图5(a)；因为发射谐振线圈谐振频率为ω，谐振状态下发射谐振线圈电感L和电容C不断进行能量交换(I1和V1是对应电流和电压的幅度)，满足，
所以电容Ct0两端电压的幅度为V1＝ωLI1，对应的相位关系可以由电感电容的充放电过程得出，结合一个周期[0,T]内两个谐振线圈上电压和电流进行说明：
0-1/4T:电流i1(t)由0变化为正向最大值，电容Ct0的端口1沿着电流方向放电，V11’(t)由正向最大值变为0；
1/4T-1/2T:电流i1(t)由正向最大值变化为0，电容Ct0的端口1’沿着电流充电，V11’(t)由0变化为反向最大值；
1/2T-3/4T:电流i1(t)由0变化为反向最大值，电容Ct0的端口1’沿着电流放电，V11’(t)由反向最大值变化为0；
3/4T-T:电流i1(t)由反向最大值变化为0，电容Ct0的端口1沿着电流方向充电，V11’(t)由0变化为正向最大值；
因为两个谐振线圈的绕线方式一致，即同名端一致，图4所示，根据变压器理论并假设变压系数为k，可以计算出接收谐振线圈电容两端的电压为，
V22’(t)＝kV11’(t)＝ωkLI1sinωt
同时，再结合接收谐振线圈的LC充放电特性，得到接收谐振线圈上的电流：
i2(t)＝kI1sinωt；
两个线圈中电压、电流时域关系如图5所示。
同时为了方便穿戴式考虑，发射谐振线圈和接收谐振线圈均采用平面螺旋线结构，如图6，为了方便分析，平面螺旋线结构线圈可以等效为一系列紧凑相邻的同心圆线圈，如图7所示，并且每个同心圆线圈都通以相同的电流。为了确保发射谐振线圈和接收谐振线圈在谐振腔内部磁场叠加的均匀性，在平面线圈制作时满足r≈R，即所有同心圆线圈通以相同的电流时在空间中任意一点处产生的磁感应强度一致，以确保在两个谐振线圈轴向磁感应强度的均匀性。
根据毕奥萨伐尔定律可知，线圈中电流和磁感应强度是一一对应关系，接收谐振线圈电流确定之后，参考亥姆霍兹线圈理论并且利用毕奥萨伐尔定律进行谐振腔内部磁场的计算；因为k接近1时，为了保证谐振线圈和亥姆霍兹线圈能量存储的一致性，对应的谐振腔线圈和亥姆霍兹线圈的匝数均为 2N。
所以针对本发明专利的平面增强型可穿戴磁谐振线圈谐振腔内部磁场强度可以表示为
其中D是接收谐振线圈圆心距，X是距离坐标轴原心距；所以相同的圆心距情况下，亥姆霍兹线圈内部磁感应强度可以表示为，
将D，X对R进行归一化，即
D＝dR
X＝xR
所以对应的三种不同的线圈根据D、X归一化之后的表达式为：
μ0NI/R是定常数，本发明引入的高磁导率铁氧体磁芯能够有效束缚并且引导发射线圈产生的磁感线进入接收谐振线圈，进而发射谐振线圈和接收谐振线圈之间的耦合系数k≈1。所以即谐振腔线圈和亥姆霍兹线圈磁感应强度相当，均能满足胶囊无线能量传输需求。
同时，对于磁谐振谐振腔的电压大小可以由电容和电感充放电关系确定，又因为线圈电感值是匝数N函数，所以发射谐振线圈匝数N对应着电感值L，所以对应的电压大小为
相同谐振腔内部磁感应强度条件下，螺线管线圈和亥姆霍兹线圈的输入电压大小可以表示为：
不难看出，亥姆霍兹线圈对驱动电路电压要求较高，并且是谐振线圈驱动所需驱动电压大小的2倍，大大增加了发射谐振线圈驱动电路的设计难度。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于胶囊内窥镜无线充电用的平面增强型磁谐振发射线圈，包括连接在驱动电路输入端的电源，所述驱动电路的输出端连接有驱动线圈Lt0，驱动电路与驱动线圈Lt0之间连接有驱动谐振电容Ct0，其特征在于，驱动线圈Lt0绕设成平面螺旋状固定在第一磁片上，驱动线圈Lt0一旁对应设置有谐振装置，所述谐振装置包将谐振线圈Lt1两端串联成回路的第一谐振电容Ct1，所述谐振线圈Lt1绕设成平面螺旋状固定在第二磁片上，所述驱动线圈Lt0与谐振线圈Lt1相向布置。
2.根据权利要求1所述的基于胶囊内窥镜无线充电用的平面增强型磁谐振发射线圈，其特征在于，所述谐振线圈Lt1与驱动线圈Lt0规格以及绕线方向相同且采用紧凑螺旋线结构；所述谐振电容Ct1与驱动谐振电容Ct0规格相同，第一磁片与第二磁片规格相同。
3.根据权利要求1或2所述的基于胶囊内窥镜无线充电用的平面增强型磁谐振发射线圈，其特征在于，所述谐振线圈Lt1与驱动线圈Lt0之间平行布置。
4.根据权利要求1或2所述的基于胶囊内窥镜无线充电用的平面增强型磁谐振发射线圈，其特征在于，所述谐振线圈Lt1与驱动线圈Lt0的距离D满足：D=R，其中，R是驱动线圈Lt0半径。
5.根据权利要求1或2所述的基于胶囊内窥镜无线充电用的平面增强型磁谐振发射线圈，其特征在于，所述第一磁片和第二磁片均选用具有高磁导率的铁氧体软磁片。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103296780A (zh) * 2012-03-01 2013-09-11 深圳光启创新技术有限公司 一种内窥镜胶囊供电系统
CN207265741U (zh) * 2017-06-30 2018-04-20 扬州芯智瑞电子科技有限公司 基于胶囊内窥镜无线充电用的平面增强型磁谐振发射线圈

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