CN112332509B - 一种用于无线充电的植入式电磁感应发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于无线充电的植入式电磁感应发电机，包括动态永磁芯、金属线圈、封装层；所述动态永磁芯位于金属线圈的内部，所述封装层将所述动态永磁芯和所述金属线圈封装成一体式；所述的动态永磁芯可跟随外部动态磁场发生同步动作；在使用时，将所述电磁感应发电机植入生物体内，所述的电磁感应发电机在外部动态磁场的作用下产生电输出。本发明具有传输效率高、传输距离远、能量损耗小并且安全性高的优点。

Description

一种用于无线充电的植入式电磁感应发电机
技术领域
本发明涉及经皮能量传递技术领域，更具体地，涉及一种用于无线充电的植入式电磁感应发电机。
背景技术
随着科学技术的快速发展，植入式医疗器件的应用越来越广泛，为解决植入式医疗器件的可持续供电问题，经皮能量传递成为了植入式医疗设备供电方式的研究热点。经皮能量传递系统需要结合体外的供能设备以及植入生物体内的微型发电机，体外供能设备的能量来源主要包括超声、光、热和磁等，分别以超声换能、光电池、热电技术和磁感应等几种技术方式实现，植入生物体内的微型发电机多为压电纳米发电机、摩擦纳米发电机、热释电发电机和光伏电池等微型发电机，以上的方式都可以有效地将体外的能量通过经皮传输的方式传递到体内并转化为电输出，实现对植入式医疗器件的无线充电。
其中，磁感应技术可以将丰富的体外能量传递到体内的植入式医疗器件，临床应用非常广泛。但是，现有技术能量传递效率较低，且高频磁场易对周围环境产生射频干扰，同时会产生大量的热，对生物体造成危害。
发明内容
本发明为克服上述现有技术能量传递效率较低、且高频磁场易对周围环境产生射频干扰，同时会产生大量的热，对生物体造成危害等问题，提供了一种用于无线充电的植入式电磁感应发电机，其具有传输效率高、传输距离远、能量损耗小并且安全性高的优点。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种用于无线充电的植入式电磁感应发电机，包括动态永磁芯、金属线圈、封装层；所述动态永磁芯位于金属线圈的内部，所述封装层将所述动态永磁芯和所述金属线圈封装成一体式；所述的动态永磁芯可跟随外部动态磁场发生同步动作；
在使用时，将所述电磁感应发电机植入生物体内，所述的电磁感应发电机在外部动态磁场的作用下产生电输出。
优选地，通过调节所述金属线圈的尺寸和线径来调节所述的金属线圈的内阻，进一步调节所述电磁感应发电机的电压和电流输出。
进一步地，所述动态永磁芯包括铝镍钴芯、铁铬钴芯、永磁铁氧体芯、钕铁硼芯中的一种或几种经过磁化后制备而成。
再进一步地，所述的动态永磁芯的直径为5mm，沿磁化方向，所述的动态永磁芯的表面最大剩余磁通密度为130mT。
再进一步地，所述的金属线圈的厚度为5.2mm，外径为10mm，内径为5.2mm，线径为0.06mm。
再进一步地，所述的封装层包括内层、外层，即采用内层先对所述的动态永磁芯、金属线圈进行封装，再使用外层对内层进行包裹。
再进一步地，所述的内层采用光敏树脂制备，具体采用光固化的方式实现对所述的金属线圈和动态永磁芯进行封装。
再进一步地，所述的外层采用派瑞林制备，具体采用蒸镀的方式实现对所述的金属线圈和动态永磁芯进行封装。
再进一步地，所述的电磁感应发电机在外部动态磁场作用下产生电输出的具体过程为：
所述外部动态磁场穿过生物体的皮肤和组织，将磁场能量送达至电磁感应发电机处，所述电磁感应发电机内部的动态永磁芯在外部动态磁场的作用下，发生同步的动作，引起所述金属线圈内的磁通量发生变化，从而产生感应电动势，所述电磁感应发电机以电磁感应发电的形式产生持续的电输出，实现了能量从体外到体内的经皮传递。
再进一步地，所述外部动态磁场包括旋转磁场、振动磁场中的一种，即动态永磁芯在外部动态磁场的作用下，发生同步的旋转或振动。
再进一步地，所述的外部动态磁场的频率为20Hz，所述外部动态磁场沿磁化方向的表面最大剩余磁通密度为240mT。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供的电磁感应发电机是一种经皮能量传递装置。在外部动态磁场的作用下，植入生物体内的电磁感应发电机中的动态永磁芯发生同步的转动或振动，在金属线圈中产生极大的电输出，具有输出功率高的特点；外部动态磁场可以穿过皮肤组织，皮肤组织对磁场的吸收较弱，传递过程中能量损耗小，且产生的热量较小，安全性高；在广泛的磁场范围内，动态永磁芯都能在金属线圈中产生有效的电输出，作用距离可达到金属线圈尺寸的20-50倍，可以实现远程能量传输；所述电磁感应发电机中金属线圈的内阻可调，产生可调节的电压、电流输出；动态永磁芯和金属线圈实现了微型设计，体积小，方便植入到生物体内。此外，所述的电磁感应发电机还具有制造工艺简单的特点。
附图说明
图1为本实施例中所述的电磁感应发电机的三维结构示意图。
图2为图1所示电磁感应发电机的俯视图。
图3为图1所示电磁感应发电机的剖面图。
图4为实施例中所述的电磁感应发电机(金属线圈线径为0.06mm)的输出电压。
图5为实施例中所述的电磁感应发电机(金属线圈线径为0.06mm)的输出电流。
图6为实施例中所述的电磁感应发电机(金属线圈线径为0.25mm)的输出电压。
图7为实施例中所述的电磁感应发电机(金属线圈线径为0.25mm)的输出电流。
图中，1-动态永磁芯、2-金属线圈、3-封装层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1、图2、图3所示，一种用于无线充电的植入式电磁感应发电机，包括动态永磁芯1、金属线圈2、封装层3；所述动态永磁芯1位于金属线圈2的内部，所述封装层3将所述动态永磁芯1和所述金属线圈2封装在内部；所述的动态永磁芯1可跟随外部动态磁场发生同步动作；即所述的封装层3不能限制动态永磁芯1的运动。
在使用时，将所述电磁感应发电机植入生物体内，所述的电磁感应发电机在外部动态磁场的作用下产生电输出。
所述的电磁感应发电机在外部动态磁场作用下产生电输出的具体过程为：
所述外部动态磁场穿过生物体的皮肤和组织，将磁场能量送达至电磁感应发电机处，所述电磁感应发电机内部的动态永磁芯1在外部动态磁场的作用下，发生同步的动作，引起所述金属线圈2内的磁通量发生变化，从而产生感应电动势，所述电磁感应发电机以电磁感应发电的形式产生持续的电输出，实现了能量从体外到体内的经皮传递。
所述外部动态磁场为低频磁场，可以穿过生物体的皮肤和组织，实现较远距离的能量传输，且不易被屏蔽体屏蔽，且对人体和周围环境更具安全性。在本实施例中，所述外部动态磁场的频率不超过20Hz；所述外部动态磁场沿磁化方向的表面最大剩余磁通密度为240mT。
在一个具体的实施例中，所述动态永磁芯1包括铝镍钴芯、铁铬钴芯、永磁铁氧体芯、钕铁硼芯中的一种或几种经过磁化后制备而成。
在一个具体的实施例中，所述的动态永磁芯1采用钕铁硼芯，动态永磁芯1的直径具体为5mm，沿磁化方向，动态永磁芯1的表面最大剩余磁通密度具体为130mT。
在一个具体的实施例中，所述的动态永磁芯1还可以采用钕铁硼永磁粉末和高分子材料混合制备成具有的磁性结构动态永磁芯，沿磁化方向，表面最大剩余磁通密度为40mT，本领域技术人员可以根据本实施例做出适当调整，本文不再赘述。
在一个具体的实施例中，通过调节所述金属线圈2的尺寸和线径实现调节所述的金属线圈2的内阻，进一步调节所述电磁感应发电机的电压和电流输出。
在一个具体的实施例中，金属线圈2的材料具体为金属铜，金属线圈2的厚度具体为5.2mm，外径具体为10mm，内径具体为5.2mm，线径具体为0.06mm；采用该结构金属线圈的输出电压、输出电流如图4、图5所示。
在一个具体的实施例中，金属线圈2的材料具体为金属铜，金属线圈2的厚度具体为5.2mm，外径具体为10mm，内径具体为5.2mm，线径具体为0.25mm。具体的输出电压、输出电流如图6、图7所示。
在一个具体的实施例中，为了将植入在生物体内的电磁感应发电机能长久工作，保证密封性良好，且对生物体没有损害，所述封装层3所采用的材料具有良好的生物相容性，不会对生物体造成伤害。本实施例所述的封装层包括内层、外层，即采用内层先对所述的动态永磁芯、金属线圈进行封装，再使用外层对内层进行包裹。
其中，所述的内层采用光敏树脂制备，所述的光敏树脂的型号具体为FHD1500，具体采用光固化的方式实现对所述的金属线圈和动态永磁芯进行封装。
所述的外层采用派瑞林制备，所述的派瑞林涂层的类型具体为派瑞林-C，具体采用蒸镀的方式实现对所述的内层及内层内部的金属线圈和动态永磁芯进行封装。
在一个具体的实施例中，所述外部动态磁场采用旋转磁场，即动态永磁芯在外部旋转磁场的作用下，发生同步的旋转。将本实施例提出的植入式电磁感应发电机植入兔子大腿外侧，将兔子安置于旋转磁场环境中，旋转磁场环境由机械旋转的条形钕铁硼磁铁阵列产生，所述的条形钕铁硼磁铁阵列包括若干个单根钕铁硼磁铁，所述的单根钕铁硼磁铁的长度具体为100mm，宽度具体为10mm，厚度具体为10mm，沿磁化方向，磁铁表面最大磁通密度为240mT。
由于所述的单根钕铁硼磁铁产生的磁场空间有效范围可达20cm，将多根条形磁铁排布成5×5阵列的条形钕铁硼磁铁阵列，可将磁场的空间有效范围扩大至30-50cm。
在本实施例中，在电磁感应发电机位置处，仅需要0.2mT-0.5mT的磁场强度即可带动动态永磁芯1发生转动。随着条形磁铁阵列的持续转动，动态永磁芯1在磁铁阵列的磁力作用下，动态永磁芯1及其磁感线也发生同步的转动，引起周围金属线圈2中的磁通密度方向不断发生变化，进一步引起金属线圈2中的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律和楞次定律，金属线圈2中产生相应的感应电动势，产生持续稳定的电输出。
对本实施例提供的电磁感应发电机进行电学输出性能测试，使用Keithley静电计6514测量金属线圈2两端的电压输出和电流输出，测试结果参见图4-7，测试结果表明，在外部的动态磁场环境中，本实施例提供的植入式电磁感应发电机具有优异的电学性能，且可以通过改变金属线圈2的线径来改变其内阻，进一步调节电磁感应发电机的输出电压和输出电流。
实施例2
本实施例提供的用于无线充电的植入式电磁感应发电机与实施例1提供的用于无线充电的植入式电磁感应发电机相比较，相同之处在于：两个实施例中的电磁感应发电机均包括动态永磁芯和金属线圈，动态永磁芯具体为钕铁硼永磁合金，金属线圈具体为金属铜，不同之处在于：实施例1中外部的动态磁场为旋转磁场，动态永磁芯随之发生旋转，进一步在金属线圈中产生电输出，实施例2中外部的动态磁场为振动磁场，动态永磁芯随之发生振动，进一步在金属线圈中产生电输出，本领域技术人员可以根据实施例1做出适当调整，本文不再赘述。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于无线充电的植入式电磁感应发电机，其特征在于：包括动态永磁芯、金属线圈、封装层；所述动态永磁芯位于金属线圈的内部，所述封装层将所述动态永磁芯和所述金属线圈封装成一体式；所述的动态永磁芯可跟随外部动态磁场发生同步动作；
在使用时，将所述电磁感应发电机植入生物体内，所述的电磁感应发电机在外部动态磁场的作用下产生电输出；
所述的封装层包括内层、外层，即采用内层先对所述的动态永磁芯、金属线圈进行封装，再使用外层对内层进行包裹；
所述的内层采用光敏树脂制备，具体采用光固化的方式实现对所述的金属线圈和动态永磁芯进行封装；
所述的外层采用派瑞林制备，具体采用蒸镀的方式实现对所述的金属线圈和动态永磁芯进行封装；
所述的电磁感应发电机在外部动态磁场作用下产生电输出的具体过程为：
所述外部动态磁场穿过生物体的皮肤和组织，将磁场能量送达至电磁感应发电机处，所述电磁感应发电机内部的动态永磁芯在外部动态磁场的作用下，发生同步的动作，引起所述金属线圈内的磁通量发生变化，从而产生感应电动势，所述电磁感应发电机以电磁感应发电的形式产生持续的电输出，实现了能量从体外到体内的经皮传递；
所述外部动态磁场包括旋转磁场、振动磁场中的一种，即动态永磁芯在外部动态磁场的作用下，发生同步的旋转或振动；
所述外部动态磁场的频率不超过20Hz；所述外部动态磁场沿磁化方向的表面最大剩余磁通密度为240mT。
2.根据权利要求1所述的用于无线充电的植入式电磁感应发电机，其特征在于：通过调节所述金属线圈的尺寸和线径来调节所述的金属线圈的内阻，进一步调节所述电磁感应发电机的电压和电流输出。
3.根据权利要求1所述的用于无线充电的植入式电磁感应发电机，其特征在于：所述动态永磁芯包括铝镍钴芯、铁铬钴芯、永磁铁氧体芯、钕铁硼芯中的一种或几种经过磁化后制备而成。
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