CN113964954B - 一种植入式医疗设备的三线圈无线供电系统的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种植入式医疗设备的三线圈无线供电系统的优化方法。本发明在植入式设备的接收端，中继线圈和接收线圈共用1个补偿电容，中继线圈保持不变，接收线圈的尺寸设计较小，有效减小设计电路的占用空间。通过调整中继线圈和接收线圈的互感值使得中继线圈到发射线圈的反射阻抗尽量接近于效率取到最大值时的接收线圈到中继线圈的反射阻抗，以提高系统的传输效率。

Description

一种植入式医疗设备的三线圈无线供电系统的优化方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种植入式医疗设备的三线圈无线供电系统的优化方法。

背景技术

随着科学技术的发展，无线电能传输技术已经走进了我们的生活。相比于传统的有线供电方式，无线电能传输在安全性、便携性、方便性、美观性等方面都具有较好的表现。对于无线电能传输技术，如何提高传输效率和增加传输距离一直是备受研究的热点。近年来，对于小型的植入式医疗设备，使用无线供电的方式也越来越受到重视。通过无线电能传输技术给植入式医疗设备供电，避免了传统的导线连接或植入式电池给患者带来的痛苦。作为无线供电方式，传输的效率必然是整个系统的关键指标。另外，对于小型植入式设备，设备的体积也是必须要考虑的因素。有研究表明，若植入式设备尺寸太大，将增加出现组织炎症、损伤和细胞死亡的风险。因此，需要尽量减小植入式设备的体积，以降低损伤组织的风险，同时要提高无线供电系统的传输效率。对于无线电能传输技术，可以采用双线圈供电模式，即发射端、接收端各自使用一个线圈。但双线圈无线供电系统的传输效率，随着传输距离的增加而显著下降。有研究提出使用三线圈的无线供电系统，即发射端使用一个线圈，植入式设备作为接收端，使用两个线圈。在一定条件下，虽然这种三线圈无线供电系统的传输效率优于双线圈无线供电系统。但由于在植入式设备上使用了两个线圈，这必然会增加植入式设备的体积。本发明在三线圈无线供电系统的基础上，提供了一种优化效率的方法，并可以有效减小植入式设备的体积。

发明内容

本发明的目的就是提供一种植入式医疗设备的三线圈无线供电系统的优化方法，基于三线圈无线供电系统整体，优化传输效率，并可减小植入式设备的体积。

本发明提供了一种三线圈无线供电系统的优化方法，三线圈无线供电系统包括发射线圈、中继线圈和接收线圈，发射线圈在体外的发射电路中，中继线圈和接收线圈在植入式设备的接收电路中。

本发明具体包括如下步骤：

步骤一：根据植入式医疗设备的性质，选取无线供电系统的工作频率为f、植入式设备的等效负载阻抗为R_L，其角频率w＝2πf。

步骤二：根据植入式设备留给中继线圈和接收线圈的空间大小，确定中继线圈和接收线圈的形状、尺寸、匝数，从而测量得到中继线圈和接收线圈的电感值分别为L₂、L₃，并使L₂＝L₃，中继线圈和接收线圈的等效阻抗分别为R₂、R₃。

步骤三：在植入式设备上固定中继线圈和接收线圈，并计算中继线圈和接收线圈的互感为M₂₃；中继线圈和接收线圈中间通过电容C_m连接，根据等式

计算出C_m的值。

步骤四：搭建发射线圈电路，确定发射线圈的尺寸、形状、匝数，测量发射线圈的电感值为L₁；根据等式

计算发射线圈的串联补偿电容为C₁。

步骤五：加入交流信号源V_s，该信号频率为系统的工作频率f，测量信号源内阻与线圈1的等效总阻抗为R₁。

步骤六：根据发射电路和接收电路之间的距离，测量中继线圈和接收线圈之间的互感M₁₂；由于发射线圈和接收线圈距离较远，耦合能力较弱，忽略发射线圈和接收线圈之间的互感。

步骤七：三线圈无线供电系统的效率表达式如下：

其中，R_ref1为中继线圈到发射线圈的反射阻抗，R_ref2为接收线圈到中继线圈的反射阻抗。

得出三线圈无线供电系统的效率表达式如下：

当

时，效率η达到最大，最大值为η_max：

记效率取到最大值时的R_ref2为R′，则

由三线圈无线供电系统的效率η表达式得出，效率η随R_ref2的增大呈先增大后减小的变化趋势。当R_ref2<R′时，η随R_ref2的增大而增大；当R_ref2>R′时，η随R_ref2的增大而减小；当R_ref2＝R′时，η达到当前参数条件下的最大值η_max。

步骤八：计算R_ref2的值，比较R_ref2与R′的关系，若R_ref2≠R′，则重复步骤一、步骤二、步骤三，重新选取w、M₂₃，使R_ref2＝R′，从而提高三线圈无线供电系统的传输效率。

传统的三线圈无线供电系统，在植入式设备的接收端，中继线圈和接收线圈各自需要1个补偿电容，一共要2个电容。本发明的三线圈无线供电系统，在植入式设备的接收端，中继线圈和接收线圈共用1个补偿电容。相比于传统三线圈无线供电系统，减少了1个电容，可有效减小设计电路的占用空间。在本发明的三线圈无线供电系统中，中继线圈保持不变，接收线圈的尺寸设计得小，只需保证接收线圈的电感值L₃＝L₂即可，这样可以使得M₂₃非常小，由反射阻抗表达式

知，可通过

来保证R_ref2的大小。对于传统三线圈系统，反射阻抗表达式

若M₂₃非常小，则导致R_ref2很小，从而会极大降低系统传输效率。所以，相比于传统三线圈系统，本发明中的三线圈无线供电系统，接收线圈的尺寸可以很小，从而进一步减小了植入式设备的体积。

从三线圈无线供电系统的效率η与接收线圈到中继线圈的反射阻抗R_ref2的变化关系中可以得出，若传统三线圈无线供电系统的R_ref2小于效率取到最大值时的R′，使用本发明的三线圈系统后，R_ref2增加，且也小于R′，并接近于R′，那么三线圈无线供电系统的效率将有效提高，并接近该参数条件下的效率最大值η_max。

附图说明

图1为传统三线圈无线供电系统电路图；

图2为本发明中的三线圈无线供电系统电路图；

图3为三线圈无线电能传输效率η与反射阻抗R_ref2的关系曲线图。

具体实施方式

如图1所示，为传统三线圈无线供电系统电路图。线圈1、线圈2、线圈3分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈；无线供电系统的工作频率为f，植入式设备的等效负载阻抗为R_L。

图中V_s为交流信号源，频率为f，角频率w＝2πf。L₁、L₂、L₃分别为线圈1、线圈2、线圈3的电感值，C₁、C₂、C₃分别为线圈1、线圈2、线圈3的补偿电容，R₁为信号源内阻与线圈1的等效阻抗之和，R₂、R₃分别为线圈2、线圈3的等效阻抗，R_L为电路负载。M₁₂为线圈1和线圈2的互感值，M₂₃为线圈2和线圈3的互感值，忽略线圈1和线圈3的互感值。

若流经线圈1、线圈2、线圈3的电流分别为i₁、i₂、i₃，则根据基尔霍夫定律得：

当系统工作在规定的谐振频率时，满足：

则方程可化简为：

三线圈无线传输系统的效率η如下：

其中，R_ref1与R_ref2的关系如下：

本发明中的三线圈无线供电系统电路图为图2。图中V_s为交流信号源，频率为f，角频率w＝2πf。L₁、L₂、L₃分别为线圈1、线圈2、线圈3的电感值，C₁为线圈1的补偿电容，C_m为线圈2和线圈3共同连接的补偿电容。R₁为信号源内阻与线圈1的等效阻抗之和，R₂、R₃分别为线圈2、线圈3的等效阻抗，R_L为电路负载。M₁₂为线圈1和线圈2的互感值，M₂₃为线圈2和线圈3的互感值，忽略线圈1和线圈3的互感值。

若流经线圈1、线圈2、线圈3的电流分别为i₁、i₂、i₃，根据基尔霍夫定律得：

整理得：

当系统的频率满足下式：

方程可化简为：

对比传统三线圈公式，可发现本发明中的三线圈公式的不同之处仅为表达式中的jwM₂₃变为了

方程的形式、其他参数均一致。

所以，对于本发明中提出的三线圈无线供电系统，其分析方法与传统三线圈系统一致，传统三线圈的效率

同样适用于本发明中的三线圈无线供电系统。

其中，线圈3到线圈2的反射阻抗R_ref2变为：

显然，使用本发明的三线圈系统，可以有效提高R_ref2。

由于R_ref1与R_ref2有如下关系：

将其代入效率η表达式中，得效率

化简得

将R_ref2作为自变量，效率η为因变量，研究效率η与R_ref2的关系。图3为效率η与R_ref2的关系曲线图。图中，η_max表示当前参数条件下，效率能达到的最大值。R′表示效率达到η_max时的R_ref2。

显然，效率η随R_ref2的增大呈先增大后减小的变化趋势。当R_ref2<R′时，η随R_ref2的增大而增大；当R_ref2>R′时，η随R_ref2的增大而减小；当R_ref2＝R′时，η达到当前参数条件下的最大值η_max：

由上述分析得，使用本发明的三线圈无线供电系统，可以有效提高R_ref2。

若传统三线圈系统R_ref2<R′，使用本发明的三线圈系统后，R_ref2被提高，并且若也满足R_ref2<R′，则系统的传输效率η将有效提高。

本发明的三线圈无线供电系统，在植入式设备的接收端，中继线圈和接收线圈共用1个补偿电容。相比于传统三线圈无线供电系统，减少了1个电容，可有效减小电路的占用空间，从而减小植入式设备的体积。

由η_ma2的表达式可知，系统在给定参数条件的情况下，效率能达到的理论最大值η_ma2与M₂₃无关。所以在本发明的三线圈无线供电系统中，可以将线圈3的尺寸设计得很小，只需保证线圈3的电感值L₃＝L₂即可，这样可以使得M₂₃非常小。由于本发明的三线圈系统反射阻抗

即使M₂₃非常小，还可以通过

来保证R_ref2的大小。所以，通过调整M₂₃使得R_ref2尽量接近于R′，以提高系统的传输效率η。这样做的另一个优点是，为了减小M₂₃，将线圈3的尺寸设计得很小，减小了电路的占用空间，从而进一步减小植入式设备的体积。

综上所述，根据此方法，本发明能有效优化植入式三线圈无线供电系统的传输效率，并可以减小植入式医疗设备的体积。

Claims (1)

1.一种植入式医疗设备的三线圈无线供电系统的优化方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：根据植入式医疗设备的性质，选取无线供电系统的工作频率为f、植入式设备的等效负载阻抗为R_L，其角频率w＝2πf；

步骤二：根据植入式设备留给中继线圈和接收线圈的空间大小，确定中继线圈和接收线圈的形状、尺寸、匝数，从而测量得到中继线圈和接收线圈的电感值分别为L₂、L₃，并使L₂＝L₃，中继线圈和接收线圈的等效阻抗分别为R₂、R₃；

步骤三：在植入式设备上固定中继线圈和接收线圈，并计算中继线圈和接收线圈的互感为M₂₃；中继线圈和接收线圈中间通过电容C_m连接，根据等式

计算出C_m的值；

步骤四：搭建发射线圈电路，确定发射线圈的尺寸、形状、匝数，测量发射线圈的电感值为L₁；根据等式

计算发射线圈的串联补偿电容为C₁；

步骤五：加入交流信号源V_s，该交流信号源V_s的频率为系统的工作频率f，测量信号源内阻与线圈1的等效总阻抗为R₁；

步骤六：根据发射电路和接收电路之间的距离，测量中继线圈和接收线圈之间的互感M₁₂；由于发射线圈和接收线圈距离较远，耦合能力较弱，忽略发射线圈和接收线圈之间的互感；

步骤七：三线圈无线电能传输系统的效率

其中，R_ref1为中继线圈到发射线圈的反射阻抗，R_ref2为接收线圈到中继线圈的反射阻抗：

得出三线圈无线电能传输系统的效率表达式如下：

当

时，效率η达到最大，最大值为η_max：

记效率取到最大值时的R_ref2为R^′，则

由三线圈无线电能传输系统的效率η表达式得出，效率η随R_ref2的增大呈先增大后减小的变化趋势；当R_ref2<R^′时，η随R_ref2的增大而增大；当R_ref2>R^′时，η随R_ref2的增大而减小；当R_ref2＝R^′时，η达到当前参数条件下的最大值η_max；

步骤八：计算R_ref2的值，比较R_ref2与R^′的关系，若R_ref2≠R^′，则重复步骤一、步骤二、步骤三，重新选取w、M₂₃，使R_ref2＝R^′，从而提高三线圈无线电能传输系统的传输效率。

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