CN109217495A - 一种植入式医疗设备的高效率无线充电装置及其设计方法 - Google Patents

一种植入式医疗设备的高效率无线充电装置及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种植入式医疗设备的高效率无线充电装置及其设计方法，主要包括由漆包铜线绕制而成的锥形源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈。本发明还公开了该植入式医疗设备的高效率无线充电装置的设计方法。本发明解决了传统医疗设备无线充电效率低、充电距离有限的问题，大大提高了植入式医疗设备无线充电的传输效率和传输距离。

Description

一种植入式医疗设备的高效率无线充电装置及其设计方法
技术领域
本发明属于磁耦合谐振式无线能量传输技术领域，涉及植入式医疗设备无线充电的设计方法，尤其涉及一种植入式医疗设备的高效率无线充电装置及其设计方法。
背景技术
现有的植入式医疗设备存在充电困难、需要定期更换等问题，并且更换过程中会对病人造成二次伤害，对植入式医疗设备充电成了急需解决的问题，磁谐振耦合式无线能量传输技术利用线圈间的谐振耦合实现远距离的能量传输，是解决植入式医疗设备充电的一个方法，可有效避免对病人产生的二次伤害。
两线圈磁耦合谐振式无线能量传输结构，发射线圈与接收线圈的谐振频率相同，由于线圈间互感较小，导致传输效率低、传输距离近。为了提高传输距离，有研究提出了四线圈磁谐振耦合无线电能传输方式。对于四线圈磁谐振耦合无线电能传输方式，目前大多采用让四个线圈的谐振频率相同。四个线圈谐振频率的设置方法有两种：一种是根据电源的频率定，一种是让四个线圈的谐振频率均设置在某一组线圈的最优谐振频率处，而另一组线圈并不是在最优频率处谐振，以上两种谐振频率设置方式均存在一部分线圈不是在线圈最优频率处，而谐振频率与补偿电容值一一对应，补偿电容值会影响整个系统的输入阻抗，而输入阻抗直接影响系统的传输效率，并且传统的四线圈无线能量传输方式为了简化模型，通常忽略线圈间的交叉耦合，进一步限制了能量的传输效率与传输距离，使植入式医疗设备充电不方便。因此，有必要研究用于植入式医疗设备的远距离无线充电装置。
本发明提出了一种植入式医疗设备的高效率无线充电装置及其设计方法，其使四个线圈的谐振频率均设置在各个线圈所在回路品质因数Q最大时对应的频率处，提高了系统的输入阻抗值，并且充分利用了四线圈间的交叉耦合作用，大大提高能量的传输效率和传输距离。
发明内容
本发明针对现有的植入式医疗设备存在充电困难、需要定期更换等问题，而提供了一种植入式医疗设备的高效率无线充电装置及其设计方法，该装置通过设置四个线圈的谐振频率，使四个线圈均谐振在各个线圈所在回路品质因数Q最大时对应的频率处，提高了系统的输入阻抗值，并且充分利用了四线圈间的交叉耦合作用，大大提高能量的传输效率和传输距离。
为达上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种植入式医疗设备的高效率无线充电装置，其特征在于包括由漆包铜线绕制而成的锥形源线圈、锥形发射线圈、锥形接收线圈和锥形负载线圈，其中源线圈套设于发射线圈之内组成发射端，负载线圈套设于接收线圈之内形成接收端；
每个锥形线圈沿轴心方向的匝间距相等，均为d；
所述的漆包铜线横截面半径相等，均为rc；
所述的源线圈的最小半径为r1，发射线圈的最小半径为r2，接收线圈的最小半径为r3，负载线圈的最小半径为r4；
所述的源线圈与负载线圈的最小半径相等，即r1＝r4，发射线圈与接收线圈的最小半径相等，即r2＝r3；
所述的源线圈与负载线圈的最小半径小于发射线圈与接收线圈的最小半径；
每个锥形线圈的半径均由小到大均匀变化，每匝线圈终止点半径与起始点半径相比增量均为r0；
每个锥形线圈的匝数相等，均为N匝；
所述的源线圈的最大半径为r1+N·r0，发射线圈的最大半径为r2+N·r0，接收线圈的最大半径为r3+N·r0，负载线圈的最大半径为r4+N·r0；
所述的源线圈与发射线圈圆心在同一轴线上，起始线圈在同一个面上；
所述的接收线圈和负载线圈圆心在同一轴线上，起始线圈在同一个面上；
所述的发射端半径大的一端与接收端半径大的一端相对；
所述的发射端与接收端相互平行，每个锥形线圈的圆心在同一轴线上。
本发明所述的植入式医疗设备的高效率无线充电装置的设计方法，其特征在于具体过程为：设计给定值：源线圈的最小半径r1，发射线圈的最小半径r2，接收线圈的最小半径r3，负载线圈的最小半径r4；每个锥形线圈的匝数N；每个锥形线圈的半径由小到大均匀变化，每匝线圈终止点半径与起始点半径相比增量r0；每个锥形线圈沿轴心方向的匝间距d；
发射端和接收端四个锥形线圈的最优谐振频率fi(i＝1,2,3,4)；四个锥形线圈所在回路需要的补偿电容Ci(i＝1,2,3,4)；电源最优频率f0的设计方法如下：
(1)锥形线圈最优谐振频率fi的设计方法
步骤一：确定锥形线圈等效半径
步骤二：锥形线圈的最优谐振频率
式中，下标i＝1,2,3,4，c是光速，μ0是真空磁导率，ρ是电阻率，N是线圈匝数，ri是锥形线圈最小半径，ri'是锥形线圈的等效半径，rc是漆包铜线的横截面半径；
(2)锥形线圈补偿电容的设计方法
步骤一：计算线圈自感
步骤二：线圈的补偿电容值
(3)电源最优频率f0的设计方法
考虑四线圈的交叉耦合影响，系统的输入阻抗Zin与电源角频率ω之间的关系如下：
式中，Rs为电源内阻，Z11是源线圈所在回路阻抗，ω＝2πf，f为电源频率，Mmn(m≠n；m,n＝1,2,3,4)为线圈间互感，Im为各个线圈所在回路的电流；
由于ω＝2πf，由上式可得输入阻抗Zin与电源频率f的关系式，电源频率f设置在20MHz-140MHz范围内，将电源频率f以步长0.01MHz步进，将所有步进得到的频率点代入上述公式，即可得到输入阻抗的模值和角度随电源频率f变化的关系图，根据所得关系图，即可获得模值较大、角度绝对值较小对应的频率点f，此时的频率f即为电源的最优频率fo。
本发明用电源的最优频率fo作为激励频率，将四个锥形线圈谐振频率分别设置在线圈所在回路品质因数Q值最大对应的频率处，提高了系统的输入阻抗，并且充分利用了四线圈间的交叉耦合作用，大大提高能量的传输效率和传输距离，实现植入式医疗设备高效率、远距离无线充电。
附图说明
图1是本发明植入式医疗设备的高效率无线充电装置的结构示意图；
图2是本发明植入式医疗设备的高效率无线充电装置的等效电路图；
图3是本发明的无线能量传输方式与传统四个线圈谐振频率相同的无线能量传输方式正向传输系数最大值对应的频率对比图；
图4是本发明的无线能量传输方式与传统四个线圈谐振频率相同的无线能量传输方式每个距离处正向传输系数最大值的对比图。
其中：1-源线圈，2-发射线圈，3-接收线圈，4-负载线圈。
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，对本发明植入式医疗设备高效无线充电装置及设计方法进行进一步的详细说明。
如图1所示，本发明植入式医疗设备发高效率无线充电装置的结构图，包括由漆包铜线绕制而成的锥形源线圈1、锥形发射线圈2、锥形接收线圈3和锥形负载线圈4，其中源线圈1套设于发射线圈2之内组成发射端，负载线圈4套设于接收线圈3之内形成接收端，源线圈1与负载线圈4的结构完全相同，发射线圈2与接收线圈3的结构完全相同。
设计给定值：源线圈1的最小半径r1，发射线圈2的最小半径r2，接收线圈3的最小半径r3，负载线圈的最小半径r4；每个锥形线圈的半径由小到大均匀变化，每匝线圈终止点半径与起始点半径相比增量r0；每个锥形线圈的匝数N；每个锥形线圈沿轴心方向的匝间距d。
收发端四个锥形线圈的最优谐振频率fi(i＝1,2,3,4)；四个锥形线圈所在回路需要的补偿电容Ci(i＝1,2,3,4)；电源最优频率f0的设计方法如下。
(1)锥形线圈最优谐振频率fi的设计方法
步骤一：确定锥形线圈等效半径
步骤二：锥形线圈的最优谐振频率
式中，下标i＝1,2,3,4，c是光速，μ0是真空磁导率，ρ是电阻率，N是线圈匝数，ri是锥形线圈最小半径，ri'是锥形线圈的等效半径，rc是漆包铜线的横截面半径。
将每个锥形线圈的参数代入上述频率求解公式，即可求得源线圈1的最优谐振频率f1，发射线圈2的最优谐振频率f2，接收线圈3的最优谐振频率f3，负载线圈4的最优谐振频率f4。
(2)锥形线圈补偿电容的设计方法
步骤一：计算线圈自感
步骤二：线圈的补偿电容值
线圈谐振时，谐振频率与补偿电容的关系如下
(3)电源最优频率f0的设计方法
根据图2所示的本发明提出的无线能量传输等效电路图，可得每个回路的KVL方程如下：
其中Z11＝RS+R1+j(ωL1-1/ωC1),Z22＝R2+j(ωL2-1/ωC2),Z33＝R3+j(ωL3-1/ωC3)和Z44＝RL+R4+j(ωL4-1/ωC4)
式中，Mmn(m≠n,m,n＝1,2,3,4)为线圈间互感，Im为回路中电流，ω＝2πf，f为电源频率。
通过计算可得电流间关系：
根据公式可以求出系统的输入阻抗Zin
式中，Uin＝Us-I1·Rs是输入端电压，I1是源线圈所在回路中电流。
考虑四线圈的交叉耦合影响，系统的输入阻抗Zin与电源角频率ω之间的关系如下：
式中，Rs为电源内阻，Z11是源线圈所在回路阻抗，ω＝2πf，f为电源频率，Mmn(m≠n；m,n＝1,2,3,4)为线圈间互感，Im为各个线圈所在回路的电流。
在无线能量传输技术领域，输入阻抗与系统效率成正比关系，输入阻抗模值越大、角度绝对值越小则系统效率越高。由于ω＝2πf，由上式可得输入阻抗Zin与电源频率f的关系式，当发射端与接收端距离确定后，将电源频率f设置在20MHz-140MHz范围内，电源频率f以步长0.01MHz为步进，将步进得到的所有频率点代入上述公式，即可得到当前距离处输入阻抗模值和角度随电源频率f变化的图，对数据进行分析即可得到当前距离处，输入阻抗模值较大、角度绝对值较小所对应的频率f，频率f即为电源的最优频率f0。
对每个距离进行上述处理，即可得到每个距离处输入阻抗模值、角度随电源频率变化的数据，对数据分析即可得到每个距离处电源的最优频率，如图3所示，在每个距离处，用电源最优频率作为激励频率对系统进行处理，即可得到每个距离处效率，如图4所示。
由图3可知，本发明提出的无线能量传输方式，每个距离处电源频率的最优频率在23MHz附近，而传统四个线圈谐振频率相同的无线能量传输方式每个距离处电源的最优谐振频率在33MHz附近。图4所示是每个距离处正向传输系数最大值，本发明提出的无线能量传输方式，每个距离处正向系数最大值基本在0.9-1之间浮动，而传统四个线圈谐振频率相同的无线能量传输方式，每个距离处正向传输系数最大值是0.8，本发明提出的无线能量传输方式能量传输效率远大于传统四个线圈谐振频率相同的无线能量传输方式，并且传统的无线能量传输方式在38cm处传输效率开始下降，而本发明提出的无线能量传输方式在60cm处开始下降，传输距离远远大于传统无线能量传输方式。在无线能量传输技术领域，电源频率越高，能量传输效率越高，本发明提出的无线能量传输方式电源频率远远低于传统四个线圈谐振频率相同的无线能量传输方式，但是传输效率与传输距离远远大于传统无线能量传输方式。
用电源的最优频率fo作为激励频率，将四个锥形线圈谐振频率分别设置在线圈所在回路品质因数Q值最大对应的频率处，提高了系统的输入阻抗，并且充分利用了四线圈间的交叉耦合作用，大大提高能量的传输效率和传输距离，实现植入式医疗设备高效率、远距离无线充电。
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 (2)

1.一种植入式医疗设备的高效率无线充电装置，其特征在于包括由漆包铜线绕制而成的锥形源线圈、锥形发射线圈、锥形接收线圈和锥形负载线圈，其中源线圈套设于发射线圈之内组成发射端，负载线圈套设于接收线圈之内形成接收端；
每个锥形线圈沿轴心方向的匝间距相等，均为d；
所述的漆包铜线横截面半径相等，均为rc；
所述的源线圈的最小半径为r1，发射线圈的最小半径为r2，接收线圈的最小半径为r3，负载线圈的最小半径为r4；
所述的源线圈与负载线圈的最小半径相等，即r1＝r4，发射线圈与接收线圈的最小半径相等，即r2＝r3；
所述的源线圈与负载线圈的最小半径小于发射线圈与接收线圈的最小半径；
每个锥形线圈的半径均由小到大均匀变化，每匝线圈终止点半径与起始点半径相比增量均为r0；
每个锥形线圈的匝数相等，均为N匝；
所述的源线圈的最大半径为r1+N·r0，发射线圈的最大半径为r2+N·r0，接收线圈的最大半径为r3+N·r0，负载线圈的最大半径为r4+N·r0；
所述的源线圈与发射线圈圆心在同一轴线上，起始线圈在同一个面上；
所述的接收线圈和负载线圈圆心在同一轴线上，起始线圈在同一个面上；
所述的发射端半径大的一端与接收端半径大的一端相对；
所述的发射端与接收端相互平行，每个锥形线圈的圆心在同一轴线上。
2.一种权利要求1所述的植入式医疗设备的高效率无线充电装置的设计方法，其特征在于具体过程为：设计给定值：源线圈的最小半径r1，发射线圈的最小半径r2，接收线圈的最小半径r3，负载线圈的最小半径r4；每个锥形线圈的匝数N；每个锥形线圈的半径由小到大均匀变化，每匝线圈终止点半径与起始点半径相比增量r0；每个锥形线圈沿轴心方向的匝间距d；
发射端和接收端四个锥形线圈的最优谐振频率fi(i＝1,2,3,4)；四个锥形线圈所在回路需要的补偿电容Ci(i＝1,2,3,4)；电源最优频率f0的设计方法如下：
(1)锥形线圈最优谐振频率fi的设计方法
步骤一：确定锥形线圈等效半径
步骤二：锥形线圈的最优谐振频率
式中，下标i＝1,2,3,4，c是光速，μ0是真空磁导率，ρ是电阻率，N是线圈匝数，ri是锥形线圈最小半径，ri'是锥形线圈的等效半径，rc是漆包铜线的横截面半径；
(2)锥形线圈补偿电容的设计方法
步骤一：计算线圈自感
步骤二：线圈的补偿电容值
(3)电源最优频率f0的设计方法
考虑四线圈的交叉耦合影响，系统的输入阻抗Zin与电源角频率ω之间的关系如下：
式中，Rs为电源内阻，Z11是源线圈所在回路阻抗，ω＝2πf，f为电源频率，Mmn(m≠n；m,n＝1,2,3,4)为线圈间互感，Im为各个线圈所在回路的电流；
由于ω＝2πf，由上式可得输入阻抗Zin与电源频率f的关系式，电源频率f设置在20MHz-140MHz范围内，将电源频率f以步长0.01MHz步进，将所有步进得到的频率点代入上述公式，即可得到输入阻抗的模值和角度随电源频率f变化的关系图，根据所得关系图，即可获得模值较大、角度绝对值较小对应的频率点f，此时的频率f即为电源的最优频率fo；
用电源的最优频率fo作为激励频率，将四个锥形线圈谐振频率分别设置在线圈所在回路品质因数Q值最大对应的频率处，提高了系统的输入阻抗，并且充分利用了四线圈间的交叉耦合作用，大大提高能量的传输效率和传输距离，实现植入式医疗设备高效率、远距离无线充电。
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