CN108448742B - 一种用于胆囊内窥镜的无线供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于胆囊内窥镜的无线供电装置，采用磁耦合谐振式无线电能收发方式，包括发射线圈、磁聚集低损耗铁芯、接收线圈和耦合增强铁芯，磁聚集低损耗铁芯包括铁芯细轴圆柱和位于其两端的铁芯两端圆台；耦合增强铁芯包括铁芯中部圆柱和位于其两端的铁芯两端圆柱；铁芯细轴圆柱的横截面半径R与发射线圈的半径R₁相等；所述的接收线圈紧贴铁芯中部圆柱缠绕；铁芯中部圆柱的横截面半径R₃与接收线圈的半径R₂相等；R、R₁、R₂和铁芯两端圆台的上底面半径r₁相等；所述的铁芯两端圆台的下底面半径r₂是r₁的2.5倍。本发明增大了穿过线圈的磁场强度，增强了两线圈间的磁耦合作用，提高了传输距离，同时也能提高传输效率。

Description

一种用于胆囊内窥镜的无线供电装置

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种用于胆囊内窥镜的无线供电装置。

背景技术

无线电能传输技术按传输机理的不同，可分为电磁感应方式、谐振耦合方式、激光方式、微波方式、电场耦合方式、其他方式等。其中，谐振耦合、激光、微波等方式可实现中远程距离传输；电磁感应、谐振耦合、激光等方式可实现大功率传输。电磁感应方式和谐振耦合方式利用发射线圈产生的交变磁场将电能耦合到接收线圈，从而实现对负载的无线电能传输。但感应式无线电能传输技术对磁路的设计要求比较苛刻，导致传输距离较低(多在厘米范围内)，导致该技术在大功率无线能量传输的应用中，具有很大的局限性。2007年，麻省理工大学的物理学助理教授马林·索尔贾希克提出的磁场谐振式的无线电能传输方式，开辟了无线电能传输技术的一个新方向。该方式通过2个谐振在相同频率上的电感线圈之间的近场磁耦合来传输能量，较之感应式传能，在传输距离上有了很大的扩展；相比于辐射式传能，其对电磁环境的影响较小，且传输功率较大，因此受到越来越广泛的关注和研究。

磁耦合谐振式无线传能技术虽然远距离处的传输效率，实用性得到了很大的提高。但该种技术存在一个被称为临界耦合的最佳工作状态，此状态对应的距离就是最佳传输距离。如果超出这个范围，磁耦合迅速减弱，导致电能传输效率迅速下降，传输性能极具恶化。传统方法大多数是通过频率跟踪和阻抗匹配等方式来实现提高传输功率和效率，以及传输距离的目的。但该种方法的临界耦合距离大都限制在谐振线圈直径的2倍之内，在超出临界耦合距离之外，其传输功率和效率随着传输距离迅速降低。

综上所述，磁耦合谐振式无线传能系统的最佳工作状态是临界耦合状态，这样系统就可以在谐振频率处获得最大的传输效率，但是临界耦合状态所对应的传输距离是确定的，尤其是远距离能量传输时，耦合作用减弱的影响就更加明显。为使系统在远距离处脱离弱耦合区域，达到临界耦合的状态，并提高系统在弱耦合区域的传输效率，因此，应当寻找一种技术方案让无线输电系统在远距离处获得更强的磁耦合作用，提高系统远距离工作时的能量传输效率。

发明内容

本发明的目的在于针对无线电能传输系统远距离传输能量时，由于磁耦合作用减弱导致系统传输效率下降的问题，提供一种用于胆囊内窥镜的采用磁耦合谐振式无线电能收发方式的无线供电装置。本发明对两线圈结构进行改进，利用带有低损耗铁芯结构的线圈作为发射装置，利用带有增强型铁芯结构的线圈作为接收装置，增强远距离传输时发射线圈和接收线圈间的磁耦合作用，减小铁芯磁化时的磁化损耗。本发明通过以下技术方案予以实现：

一种用于胆囊内窥镜的无线供电装置，采用磁耦合谐振式无线电能收发方式，包括发射线圈、磁聚集低损耗铁芯、接收线圈和耦合增强铁芯，其特征在于，所述的磁聚集低损耗铁芯包括铁芯细轴圆柱和位于其两端的铁芯两端圆台；所述的耦合增强铁芯包括铁芯中部圆柱和位于其两端的铁芯两端圆柱；所述的发射线圈线圈紧贴铁芯细轴圆柱缠绕；所述的铁芯细轴圆柱的横截面半径R与发射线圈的半径R₁相等；所述的接收线圈紧贴铁芯中部圆柱缠绕；所述的铁芯中部圆柱的横截面半径R₃与接收线圈的半径R₂相等；R、R₁、R₂和铁芯两端圆台的上底面半径r₁相等；所述的铁芯两端圆台的下底面半径r₂是r₁的2.5倍；所述的铁芯两端圆台的高度h是铁芯细轴圆柱的长度L的1/4；所述的铁芯两端圆柱的高度h′是铁芯中部圆柱的长度L₃的1/4；所述的铁芯两端圆柱的横截面半径r是铁芯中部圆柱的横截面半径R₃的2.5倍；所述的发射线圈的高度与L；接收线圈的高度与铁芯中部圆柱的长度L₃相等；r₂大于r₁；所述的铁芯两端圆台的锥角定义为α，r₁以α/2对应的斜率线性均匀的变化到r₂，设最小损耗参数为F_min，按照下式计算得到铁芯细轴圆柱的长度L：

其中F_c＝F_min，d＝[1-(r₁ ²/L_eq ²)]^1/2,

可按下式计算出铁芯两端圆台的锥角α，即

按下式计算铁芯中部圆柱的长度L₃：

其中F_c′＝F_min，d′＝[1-(R₃ ²/L₃ ²)]^1/2。

据发射线圈的半径R₁、接收线圈的半径R₂、铁芯细轴圆柱长度的L、铁芯中部圆柱的长度L₃、发射线圈的匝数N₁、接收线圈的匝数N₂和线径d_wire，按下式分别计算出发射线圈的层数K_layer、发射线圈的总线长l_wire，接收线圈的层数K′_layer和接收线圈的总线长l′_wire，即

K_layer＝N₁d_wire/L

K′_layer＝N₂d_wire/L₃

相对于现有技术，本发明的优点在于：本发明利用磁聚集低损耗铁芯减小了铁芯的磁化损耗，实现了对磁场的聚集作用；利用耦合增强铁芯增强了发射线圈和接收线圈间的磁耦合作用，本发明的用于胆囊内窥镜的无线供电装置结构简单，只需在现有无线电能传输装置的基础上进行改造即可实现，与现有圆柱型铁芯装置相比，提高了系统远距离处的能量传输效率的作用。在装置的设计过程中，可以得到在轴向损耗参数最小情况下的磁聚集低损耗铁芯和耦合增强铁芯中部圆柱的长度，与现有圆柱型铁芯相比，减小了铁芯的磁化损耗，增大了穿过线圈的磁场强度，增强了两线圈间的磁耦合作用，大幅度提高了传输距离，同时也能提高传输效率。

附图说明

图1是本发明的用于胆囊内窥镜的无线供电装置的整体结构示意图；

图2是本发明磁聚集低损耗铁芯结构示意图；

图3是本发明耦合增强铁芯结构示意图；

图4是本发明实施案例中不同传输距离时负载电压数据分析图；

图5是本发明铁芯磁化损耗数据分析图。

其中：

1：铁芯细轴圆柱2：铁芯两端圆台

3：铁芯中部圆柱4：铁芯两端圆柱

具体实施方式

为了使本发明技术方案的内容和优势更加清楚明了，以下结合附图，对本发明一种用于胆囊内窥镜的无线供电装置及设计方法进行进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的用于胆囊内窥镜的无线供电装置设置有函数信号发生器、阻抗匹配网络、高频功放、发射线圈、接收线圈、发射线圈补偿电容、接收线圈补偿电容、磁聚集低损耗铁芯和耦合增强铁芯；发射线圈通过高频功放和阻抗匹配网络连接到函数信号发生器，接收线圈与负载相连；通过发射线圈补偿电容使发射线圈的谐振频率与电源的中心频率进行匹配；通过接收线圈补偿电容使接收线圈的谐振频率与电源的中心频率进行匹配。由函数信号发生器发出的正弦型号通过阻抗匹配网络和高频功放送至发射线圈，接收线圈通过耦合谐振接收发射线圈中的能量，接收线圈与外加负载相连，外加负载与示波器相连。本例中的发射线圈和接收线圈均为线径为2mm的漆包铜线，磁芯材料为TDK公司的功率型铁氧体材料PC40。

本发明的设计方法如图2和图3所示，设计给定值如下：

发射线圈半径R₁＝5cm、接收线圈的半径R₂＝2cm、最小损耗参数F_min＝0.5、发射线圈匝数N₁＝20、接收线圈的匝数N₂＝20和铜线线径d_wire＝0.2cm。

本发明的用于胆囊内窥镜的无线供电装置的设计方法的步骤如下：

(1)根据发射线圈的半径R₁确定铁芯细轴圆柱的横截面半径R和铁芯两端圆台的上底面半径r₁,即R＝R₁＝2cm，r₁＝R＝2cm。

(2)根据r₁确定铁芯两端圆台的下底面半径r₂＝r₁＝2.5×2＝5cm。

(3)根据接收线圈的半径R₂确定铁芯中部圆柱的横截面半径R₃和铁芯两端圆柱的横截面半径r，即R₃＝R₂＝2cm，r＝2.5R₃＝2.5×2＝5cm。

(4)铁芯细轴圆柱的长度L的设计过程：

步骤一：为对铁芯细轴圆柱的最小损耗参数进行分析，先对高度为c的椭球体进行分析。设椭球体的主轴、副轴和高分别为a、b、c，对于c＞a＝b时,则椭球体的损耗参数为：

步骤二：由步骤一，可得铁芯细轴圆柱的损耗参数为：

其中d＝[1-(r₁ ²/L_eq ²)]^1/2,

步骤三：为使实施效果达到最优，令F_c＝F_min＝0.5，r₁＝2cm，r₂＝5cm，h＝L/4，由步骤二可得：L＝4cm。

(5)根据铁芯细轴圆柱的长度L确定铁芯两端圆台的高度h＝L/4＝1cm。

(6)根据铁芯两端圆台的上底面半径r₁和下底面半径r₂、铁芯两端圆台的高度h，按下式计算出铁芯两端圆台的锥角α，即

(7)铁芯中部圆柱的长度L₃的设计过程：

步骤一：对于c＜a＝b时,则椭球体的损耗参数为可根据下面的公式算出：

步骤二：铁芯中部圆柱的损耗参数为：

其中d′＝[1-(R₃ ²/L₃ ²)]^1/2,a＝R₃，c＝L₃。

步骤三：为使实施效果达到最优，令F_c′＝F_min＝0.5，R₃＝2cm由步骤二可得L₃＝4cm。

(8)根据8确定铁芯两端圆台的高度

(9)根据L₃确定铁芯两端圆柱的高度

(10)根据R₁、R₂、L、L₃、发射线圈的匝数N₁、接收线圈的匝数N₂和线径d_wire，按下式分别计算出：

发射线圈的层数K_layer＝N₁d_wire/L＝20×0.2/4＝1，

发射线圈的总线长

接收线圈的层数K′_layer＝N₂d_wire/L₃＝20×0.2/4＝1，

接收线圈的总线长

基于此搭建的系统平台，得到相关的仿真数据如图4、图5所示。与现有圆柱型铁芯结构装置相比，本发明具有较高的负载电压，并且能够大幅度降低铁芯磁化时产生的损耗，提高了系统的传输效率和传输距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于胆囊内窥镜的无线供电装置，采用磁耦合谐振式无线电能收发方式，包括发射线圈、磁聚集低损耗铁芯、接收线圈和耦合增强铁芯，其特征在于，所述的磁聚集低损耗铁芯包括铁芯细轴圆柱和位于其两端的铁芯两端圆台；所述的耦合增强铁芯包括铁芯中部圆柱和位于其两端的铁芯两端圆柱；所述的发射线圈线圈紧贴铁芯细轴圆柱缠绕；所述的铁芯细轴圆柱的横截面半径R与发射线圈的半径R₁相等；所述的接收线圈紧贴铁芯中部圆柱缠绕；所述的铁芯中部圆柱的横截面半径R₃与接收线圈的半径R₂相等；R、R₁、R₂和铁芯两端圆台的上底面半径r₁相等；所述的铁芯两端圆台的下底面半径r₂是r₁的2.5倍；所述的铁芯两端圆台的高度h是铁芯细轴圆柱的长度L的1/4；所述的铁芯两端圆柱的高度h′是铁芯中部圆柱的长度L₃的1/4；所述的铁芯两端圆柱的横截面半径r是铁芯中部圆柱的横截面半径R₃的2.5倍；所述的发射线圈的高度为L；接收线圈的高度与铁芯中部圆柱的长度L₃相等；r₂大于r₁；所述的铁芯两端圆台的锥角定义为α，r₁以α/2对应的斜率线性均匀的变化到r₂，设最小损耗参数为F_min，按照下式计算得到铁芯细轴圆柱的长度L：

其中，Fc为铁芯细轴圆柱的损耗参数，F_c＝F_min，d＝[1-(r₁ ²/L_eq ²)]^1/2,

2.根据权利要求1所述的用于胆囊内窥镜的无线供电装置，其特征在于：按下式计算出铁芯两端圆台的锥角α，即

3.根据权利要求1所述的用于胆囊内窥镜的无线供电装置，其特征在于：按下式计算铁芯中部圆柱的长度L₃：

其中，F_c′为铁芯中部圆柱的损耗参数，F_c′＝F_min，d′＝[1-(R₃ ²/L₃ ²)]^1/2。

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