CN118317806A - 用于无线功率谐振器上的导电涂层的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于在经皮能量传输系统(TETS)中使用的谐振器。谐振器包括壳体、定位在壳体内的磁芯，该磁芯包括限定环形凹槽的环形侧壁和中心柱。谐振器还包括定位在环形凹槽内并围绕中心柱的线圈元件以及涂覆有导电材料的金属物体，其中导电材料有助于减少在谐振器工作期间引发的热量。

Description

用于无线功率谐振器上的导电涂层的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年12月1日提交的临时申请No.63/284780的优先权，其全部内容通过引用包含于此。

技术领域

本公开总体涉及一种无线功率传输系统，更具体地，涉及一种包括导电涂层的无线功率传输谐振器。

背景技术

被称为VAD(VAD,Ventricular Assist Device)的心室辅助设备是一种植入式血泵，适用于在患者心脏无法提供足够血液循环(通常称为心力衰竭或充血性心力衰竭)的情况下短期(即数天或数月)和长期(即数年或终生)应用。心力衰竭患者可以在等待心脏移植期间使用VAD，或将其作为一种长期的目的疗法。在另一示例中，患者在心脏手术后恢复期间可以使用VAD。因此，VAD可以辅助虚弱的心脏(即部分支持)，也可以有效地替代天然心脏的功能。

无线功率传输系统可以用于向VAD供电。然而，在一些情况下，无线功率传输系统可能会产生不期望的热量。

发明内容

本公开涉及一种用于在无线功率传输系统中使用的谐振器的组件上的导电涂层。

在一个方面，提供了一种用于在经皮能量传输系统(TETS，TranscutaneousEnergy Transfer System)中使用的谐振器。谐振器包括壳体、定位在壳体内的磁芯，磁芯包括限定环形凹槽的环形侧壁和中心柱、定位在环形凹槽内并围绕中心柱的线圈元件、以及涂覆有导电材料的金属物体，其中导电材料有助于减少在谐振器工作期间引发的热量。

在另一方面，提供了一种无线功率传输系统。无线功率传输系统包括外部发射谐振器和植入式接收谐振器，植入式接收谐振器包括壳体、定位在壳体内的磁芯、磁芯包括限定环形凹槽的环形侧壁和中心柱、定位在环形凹槽内并围绕中心柱的线圈元件、以及涂覆有导电材料的金属物体，其中导电材料有助于减少植入式接收谐振器工作期间引发的热量。

在又一方面，提供了一种用于在经皮能量传输系统(TETS)中使用的谐振器的组装方法。该方法包括在壳体内定位磁芯，磁芯包括限定环形凹槽的环形侧壁和中心柱；在环形凹槽内定位线圈元件；以及使用导电材料涂覆谐振器的金属物体，其中导电材料有助于减少在谐振器工作期间引发的热量。

附图说明

图1是根据示例实施例的无线功率传输系统的简化电路图。

图2是根据示例实施例的用于向心室辅助设备(VAD)供电的图1的无线功率传输系统的示意图。

图3是根据示例实施例的可用于实现图1所示系统的谐振器的一个示例的透视图。

图4是根据示例实施例的可用于实现图1所示系统的谐振器组件的透视截面图。

图5是根据示例实施例的可用于实现图1所示系统的谐振器的示例实施例的透视图。

图6A和6B是图5所示谐振器的热图。

具体实施方式

如上所述，VAD可以从无线功率传输系统接收功率，或以其他方式由无线功率传输系统供电。虽然特别提到了VAD，但其他植入式设备也可由无线功率传输系统供电。在示例中，无线功率传输系统包括外部发射谐振器和植入式接收谐振器。接收谐振器配置为可植入患者体内。功率传输系统也可称为经皮能量传输系统(TETS)。

TETS的工作方式是通过发射器线圈产生振荡磁场，在接收线圈中感应出电压。尽管特别提到了线圈，但是可以使用其他结构(例如，叠层片和/或电容耦合片)来产生电压。TETS的一个缺点是在附近的金属物体中产生不期望的电压。这些电压之所以是不期望的，是因为它们会驱动金属物体中的电流，而电流反过来又会产生不期望的热量。例如，与TETS相关联或由TETS以其他方式产生的交流电可能会流动经过每个金属物体或其他此类导体的外层(称为“趋肤效应”)。当交流电流动经过外层时，就会产生热。

为了解决上述问题，本申请描述了使用高导电材料(诸如例如银、铜、金和/或铝)涂覆TETS中的各种金属物体。虽然特别提到了银、铜、金和铝，但也可以使用其他涂层材料。使用高导电金属涂覆金属物体将有助于减少或消除由镜式电流或镜像电流产生的热量。另外地，还可以预测电流将集中的位置。一旦确定了位置，就可以有选择性地将导电涂层施加于该区域。

如本文所用，“涂覆”或“涂层”并不一定是指材料在涂覆过程中被施加，即熔融或气化的金属被施加到表面并使其凝固。相反，本文所述的涂层可包括放置在底层物体上或周围的固体薄金属箔或金属条或金属带，或者部分或全部环绕底层物体，或者部分或全部包裹底层物体。

因此，本公开的示例描述了用于无线功率传输谐振器上的导电涂层的系统和方法。谐振器包括壳体以及定位在壳体内的磁芯，磁芯包括限定环形凹槽的环形侧壁和中心柱。谐振器还包括定位在环形凹槽内并围绕中心柱的线圈元件以及涂覆有导电材料的金属物体，其中导电材料有助于减少谐振器工作期间引发的热量。

现在参考附图，图1示出了根据示例实施例的无线功率传输系统100的简化电路。系统100包括外部发射谐振器102和植入式接收谐振器104。在图1所示的系统中，电源Vs108与发射谐振器102电连接，从而向发射谐振器102供电。接收谐振器104连接至负载106(例如，植入式医疗设备)。接收谐振器104和负载106可以与开关或整流设备(未示出)电连接。

在示例中，发射谐振器102包括线圈Lx 110，其通过电容Cx 114连接至电源Vs108。此外，接收谐振器104包括线圈Ly 112，其通过电容Cy 116连接到负载106。电感Lx 110和Ly 112通过耦合系数k耦合，M_xy是两个线圈之间的互感。互感M_xy与耦合系数k的关系如下式(1)所示。

工作时，发射谐振器102发射从电源Vs 108接收到的无线功率。接收谐振器104接收发射谐振器102无线发射的功率，并将接收到的功率发射到负载106。

图2示出了患者200使用外部线圈202(例如，发射谐振器102(图1))向植入线圈204(例如，接收谐振器104(图1))无线地发射功率的示例。植入线圈204使用接收的功率为植入设备206供电。例如，植入设备206可以包括心脏起搏器或心脏泵(例如，左心室辅助设备(LVAD,Left Ventricular Assist Device))。在一些示例中，植入线圈204和/或植入设备206可以包括电池或被耦合至电池。

在一个示例中，外部线圈202例如经由有线连接或无线连接通信地耦合至计算设备210，使得外部线圈202可以接收来自计算设备210的信号，并且可以向计算设备210发射信号。在一些示例中，计算设备210是外部线圈202的电源。在其他示例中，外部线圈202耦合至可选的电源(未示出)。计算设备210包括与存储器214通信的处理器212。在一些示例中，可执行指令存储在存储器214中。

计算设备210还包括用户接口(UI)216。UI 216向用户(例如，患者200)展示信息。例如，UI 216可以包括显示适配器，该适配器可与显示设备(诸如阴极射线管(CRT，CathodeRay Tube)、液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)、有机LED(OLED)显示器和/或电子墨水显示器)耦合。在一些示例中，UI 216包括一个或多个显示设备。此外，在一些示例中，UI可以是或另外包括呈现接口。呈现接口可以不产生视觉内容，但可以产生声音和/或计算机产生的口语内容。在示例中，UI 216显示一个或多个表征，其设计为帮助患者200放置外部线圈202，使得外部线圈202和植入线圈204之间的耦合达到最佳状态。在一些示例中，计算设备210可以是可穿戴设备(诸如例如，手表)。

图3是可用于实现图1所示系统100的谐振器300的一个示例的前透视图。例如，谐振器300可用于实现外部发射谐振器102(图1)、植入式接收谐振器104(图1)、外部线圈202(图2)和/或植入线圈204(图2)。

在示例中，谐振器300包括芯302和线圈元件304。芯302包括前表面305、背表面306、以及在前表面305和背表面306之间延伸的环形侧壁308。环形凹槽310通过前表面305限定并形成了芯302的中心柱312。

当谐振器300(包括芯302和线圈元件304)与电容(例如，与线圈元件304电耦合的印刷电路板上的电容)耦合时，谐振器300可用作无线功率谐振器。然而，本领域技术人员将理解，谐振器300在不与电容连接的情况下构成线圈组件。因此，如本文所用，术语谐振器并不要求设备与电容耦合以形成无线功率谐振器。相反，本文所用术语谐振器的范围很广，足以涵盖不与电容连接的包括芯和线圈元件的线圈组件，如图3所示。

在示例中，芯302由磁性材料形成。磁性材料可以是铁氧体材料，诸如镍基或锰基铁氧体。镍基铁氧体的导电率通常较低，损耗也较小，而锰基铁氧体的磁导率较高(同时损耗仍可接受)，有利于包含磁场线，并减少进入附近导体(如钛壳体或附近PCB中的铜)的边缘场，从而防止损耗。在其他示例中，还可以使用其他类型的铁氧体材料。例如，在一些示例中，可以使用镁基铁氧体(例如MgCuZn，在1兆赫兹(MHz)左右的频率范围内，其性能可能优于镍基铁氧体和锰基铁氧体)。

线圈元件304定位在环形凹槽310内并围绕中心柱312。谐振器300可以例如是利兹线谐振器或叠层片谐振器。在利兹线谐振器中，线圈元件304包括多个利兹线环。在叠层片谐振器中，线圈元件304包括多个叠层片，叠层片可包括排列成叠层的多个交替的介电层和导电层。介电层可以例如由陶瓷、塑料、玻璃和/或云母材料形成。

线圈元件304可以电耦合到电源(例如，作为发射谐振器时)或负载(例如，作为接收谐振器时)。在工作时，当向作为发射谐振器的谐振器300供电时，电流流动经过线圈元件304，形成感应电流回路。只要第一和第二谐振器300的共振频率重叠，该感应电流回路就能向第二谐振器300无线地发射功率。线圈元件304可以包括多个端子(未示出)，有助于将线圈元件304与电源或负载电耦合。

图4是谐振器组件400的透视图。谐振器组件400可以包括与图3所示的谐振器300类似的谐振器。谐振器组件400包括发射谐振器402和接收谐振器404。在示例中，发射谐振器402包括定位在第一壳体412(例如陶瓷壳体)内的第一线圈元件406和第一芯410。类似地，接收谐振器404包括定位在第二壳体420(例如陶瓷壳体)内的第二线圈元件414和第二芯418。如上所述，接收谐振器404通常植入体内，而发射谐振器402通常位于体外。发射谐振器402和接收谐振器404可以包括一个或多个电子组件(未示出)，诸如场效应晶体管(FET,field-effect transistor)、串联电感和/或其他电子组件。

在示例中，在发射谐振器402和接收谐振器404中或在发射谐振器402和接收谐振器404上的一个或多个金属物体被高导电材料涂层覆盖。如上所述，高导电材料可以是银、铜、金和/或铝。虽然特别提到了银、铜、金和铝，但也可以使用其他材料作为涂层材料。值得注意的是，高导电金属(诸如银、铜、金和铝)促进高导电性。在不使用高导电金属的示例中，可使用导电性高于被涂覆的金属物体导电性的金属来涂覆金属物体。

在示例实施例中，由发射谐振器402和接收谐振器404产生的电流为交流电(AC)。交流电可能会产生“趋肤效应”，趋肤效应会将部分、大部分或全部交流电推向或靠近部分或全部涂覆的金属物体的表面。在谐振器组件400的所有典型工作频率(例如250kHz、1MHz、3.3MHz、6.78MHz)，趋肤效应都可能在一定程度上存在。在一些示例中，趋肤效应在频率较高时可能会变得更加明显。

在一些示例中，可以预测趋肤效应的特定影响和/或交流电可能集中在各个电子组件上的位置(例如，由人类操作员和/或计算设备预测)。例如，计算设备可以执行各种模拟(如有限元方法)来确定趋肤效应对各个电子组件的影响。

一旦确定和/或预测了交流电集中或将要集中的位置，就可以在金属物体的各个部分施加高导电涂层材料。如上所述，涂层材料可以是银、铜、金、铝和/或其他合适的材料。高导电性涂层材料有助于减少因交流电集中在那些位置而产生的热量。

在一些示例中，金属物体的整体表面被涂覆。然而，选择性地涂覆金属物体的某些部分可能更具成本效益。

一般来说，涂层材料的放置应仔细地监测和控制。例如，不小心放置高导电性涂层可能会降低发射谐振器402和接收谐振器404之间的磁耦合，从而降低无线功率布置的效率。例如，将涂覆有涂层的电子组件放置在靠近线圈中的一个线圈的位置或两个线圈之间的区域，可能会降低系统的磁耦合能力。

图5是根据示例实施例的植入式TETS谐振器500的透视图。图5也示出了有关TETS谐振器500的热信息。植入式TETS谐振器500可以类似相对于图3所示和描述的谐振器300、和/或相对于图4所示和描述的接收谐振器404。TETS谐振器500包括凸起状的金属头块502。金属头块502可以定位在TETS谐振器500的边缘，和/或可以耦合至TETS谐振器500。金属头块502可以包括具有圆形侧壁的基本上平坦的顶表面。在示例中，金属头块502可以包括面向TETS谐振器500的其余部分的内表面(未示出)。圆形侧壁可以是背对TETS谐振器500的外表面504的一部分。

在图5所示示例中，金属头块502包含钛。尽管本文讨论的是钛，但是也可以使用其他材料。在该示例中，在TETS谐振器500的工作期间在金属头块502中引发的热量约为0.5W。如图5所示，TETS谐振器500上的最高温度出现在TETS谐振器500的中心506处或附近，以及TETS谐振器500邻接金属头块502的边缘508处或附近。高温也出现在金属头块502的表面(包括外表面504)上。

图6A和6B是包括植入式TETS谐振器500(图5所示)的多个表面温度602的截面热图。在图6A中，TETS谐振器500包括由钛制成的金属头块502，并且金属头块502没有涂覆导电涂层。相反，在图6B中，金属头块502包括在外表面504上的高导电材料的涂层。在该示例中，导电涂层是具有大约100微米(μm)厚度的银涂层。值得注意的是，通过使用导电涂层涂覆外表面610，能够大量减少引发的热量。

例如，在图6A的实施例中(没有涂层)，由头块502引发的热量大约为0.5瓦(W)。相反，当具有涂层时，由头块502引发的热量大约为0.028W，并且由涂层引发的热量约为0.060W，导致总体引发的热量为0.088W(相对于0.5W)。虽然增加的导电涂层本身也有欧姆损耗，但导电涂层屏蔽了底层钛，减少了底层钛的欧姆损耗。因此，由TETS谐振器600产生的热量大大减少。

参考回图4，在该实施例中，接收谐振器404还包括在接收谐振器404的与发射谐振器402相对的一侧上的金属盘450。金属盘450可以由例如钛制成。金属盘450包括外表面452和内表面454(即，其面向第二线圈元件414)。在不使用导电涂层的情况下，在接收谐振器404的工作期间，金属盘450内可能会引发约0.5W的热量。然而，当将高导电涂层(例如铜)施加到内表面454时，引发的热量减少到大约0.084W。具体地，金属盘450的引发的热量为0.031W，而导电涂层的引发的热量是0.053W。导电涂层起到散热器的作用，将热量分布在接收器谐振器404上。此外，导电涂层可以涂覆全部，或仅涂覆一部分，或涂覆内表面454。

在图4的实施例中，接收谐振器404还包括环绕金属盘450的金属环460。金属环460可以由与金属盘450相同的金属(例如钛)制成。金属环460可以以焊接或以其他方式耦合至金属盘450，并且用作金属盘450和第二壳体420之间的接口。此外，金属环460可以以钎焊或以其他方式耦合至第二壳体420。

在该示例中，金属盘450内表面454上的导电涂层不利于将金属环460从磁场屏蔽。例如，引发的热量可能如下：金属盘450中为4.9毫瓦(mW)；导电涂层中为8.9mW；金属环460中为180mW；金属环460和第二壳体420之间的钎焊材料中为75.7mW(总引发热量约为269.5mW)。然而，可以通过多种方式减少引发的热量的总量。

例如，可以对钎焊材料进行改性以减少引发热量。在一个实施例中，钎焊材料可以由金、钛和/或其他金属的合金制成。因此，钎焊材料的导电性可能不如其他材料(例如纯金)。将钎焊材料改用纯金制造，可屏蔽金属环460并将引发热量损耗减少约三分之二，并使总热量损耗最多约为137.3mW。然而，这可能会影响钎焊材料的机械强度(尽管这在植入式接收谐振器404中可能相对不重要)。

在另一示例中，可将高导电涂层(例如铜)施加到接收谐振器404的内侧壁(例如侧壁470)。在该示例中，涂层可以形成类似于浅杯的形状。内侧壁越高(因此涂层越多)，热量减少得越多。例如，如果接收谐振器404包括4毫米(mm)高的铜涂层侧壁，则总引发的热量可能约为191.9mW。然而，在该示例中，4毫米高的铜涂层侧壁可能干扰发射谐振器402和接收谐振器404之间的耦合。在另一示例中，2mm高的铜涂层侧壁可以避免干扰发射谐振器402和接收谐振器404之间的耦合，并且可以具有209.9mW的总引发的热量。需要注意的是，上述技术可以相互结合。例如，将纯金钎焊材料与2mm高的铜涂层侧壁相结合，可产生约134.7mW的总引发的热量。

在又一个方面，可以在金属环460的外直径上施加高导电涂层。例如，在金属环460的外直径上添加银涂层，同时使用纯金钎焊材料，可导致总引发的热量降至约89.1mW，并且在另一个示例中降至约20mW。

本文所述实施例涉及一种用于无线功率传输谐振器的系统和方法。谐振器包括壳体和定位在壳体内的磁芯，磁芯包括限定环形凹槽的环形侧壁和中心柱。谐振器还包括定位在环形凹槽内并环绕中心柱的线圈元件以及涂覆有导电材料的金属物体，其中导电材料有助于减少谐振器工作期间引发的热量。

尽管已经参考特定实施例描述了本文公开的实施例和示例，但是应当理解，这些实施例和示例仅仅是本公开的原理和应用的说明。因此，应当理解，在不偏离权利要求所限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对说明性实施例和示例进行大量修改，并且可以设计其他布置。因此，本申请旨在涵盖这些实施例及其等效物的修改和变化。

本书面描述使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开，其中包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本公开的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的文字语言没有差异的结构元素，或者如果它们包括与权利要求文字语言没有太大差异的等效结构元素，则这些其他示例旨在包括在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于在经皮能量传输系统(TETS)中使用的谐振器，所述谐振器包括：

壳体；

定位在所述壳体内的磁芯，所述磁芯包括限定环形凹槽的环形侧壁和中心柱；

定位在所述环形凹槽内并围绕所述中心柱的线圈元件；以及

涂覆有导电材料的金属物体，其中所述金属物体有利于减少在所述谐振器工作期间引发的热量。

2.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述谐振器是植入式接收谐振器。

3.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述导电材料是银、铜、金和/或铝。

4.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述金属物体是定位在所述谐振器的一侧上的凸起状金属头块，所述金属头块包括背对所述谐振器的其余部分的外表面，所述外表面涂覆有导电材料。

5.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述金属物体是形成所述谐振器的背侧的金属盘，所述金属盘包括朝向所述线圈元件的内表面，所述内表面涂覆有导电材料。

6.根据权利要求5所述的谐振器，还包括：

环绕所述金属盘的金属环；以及

将所述金属环的外直径耦合至所述壳体的钎焊材料，其中所述钎焊材料由有助于进一步减少在所述谐振器的工作期间引发的热量的材料制成。

7.根据权利要求6所述的谐振器，其中所述金属环的外直径涂覆有导电材料。

8.一种无线功率传输系统，包括：

外部发射谐振器；以及

植入式接收谐振器，所述植入式接收谐振器包括：

壳体；

定位在所述壳体内的磁芯，所述磁芯包括限定环形凹槽的环形侧壁和中心柱；

定位在所述环形凹槽内并围绕所述中心柱的线圈元件；以及

涂覆有导电材料的金属物体，其中所述导电材料有助于减少在所述植入式接收谐振器工作期间引发的热量。

9.根据权利要求8所述的无线功率传输系统，其中所述导电材料是银、铜、金和/或铝。

10.根据权利要求8所述的无线功率传输系统，其中所述金属物体是定位在所述植入式接收谐振器的一侧上的凸起状金属头块，所述金属头块包括背对所述植入式接收谐振器的其余部分的外表面，所述外表面涂覆所述有导电材料。

11.根据权利要求8所述的无线功率传输系统，其中所述金属物体是形成所述植入式接收谐振器的背侧的金属盘，所述金属盘包括朝向所述线圈元件的内表面，所述内表面涂覆有所述导电材料。

12.根据权利要求11所述的无线功率传输系统，其中所述植入式接收谐振器还包括：

环绕所述金属盘的金属环；以及

将所述金属环的外直径耦合至所述壳体的钎焊材料，其中所述钎焊材料由有助于进一步减少在所述植入式接收谐振器工作期间引发的热量的材料制成。

13.根据权利要求12所述的无线功率传输系统，其中所述金属环的外直径涂覆有所述导电材料。

14.一种用于在经皮能量传输系统(TETS)中使用的谐振器的组装方法，所述方法包括：

在壳体内定位磁芯，所述磁芯包括限定环形凹槽的环形侧壁和中心柱；

在所述环形凹槽内定位线圈元件；以及

使用导电材料涂覆所述谐振器的金属物体，其中所述导电材料有助于减少在所述谐振器工作期间引发的热量。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述谐振器是植入式接收谐振器。

16.根据权利要求14所述的方法，其中涂覆金属物体包括使用银、铜、金和/或铝涂覆所述金属物体。

17.根据权利要求14所述的方法，其中涂覆金属物体包括涂覆凸起状金属头块的表面，所述金属头块定位在所述谐振器的一侧上。

18.根据权利要求14所述的方法，其中涂覆金属物体包括涂覆形成所述谐振器的背侧的金属盘的内表面。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

将所述金属盘耦合至金属环，所述金属环环绕所述金属盘；以及

使用钎焊材料将所述金属环的外直径耦合至所述壳体，其中所述钎焊材料由有助于进一步减少在所述谐振器工作期间引发的热量的材料制成。

20.根据权利要求19所述的谐振器，还包括使用所述导电材料涂覆所述金属环的外直径。