DE102018206758A1

DE102018206758A1 - Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung in einen menschlichen Körper und Verwendung der Vorrichtung

Info

Publication number: DE102018206758A1
Application number: DE102018206758.9A
Authority: DE
Inventors: Tobias Diekhans; Samuel Vasconcelos Araujo; Michael Jiptner
Original assignee: Kardion GmbH
Current assignee: Kardion GmbH
Priority date: 2018-05-02
Filing date: 2018-05-02
Publication date: 2019-11-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur induktiven Energieübertragung in einen menschlichen Körper (1), mit einer Sendespule (24) und/oder einer Empfangsspule (14) mit einem ersten Magnetkern (26) und einer Resonanz- oder Drosselspule (16, 34) mit einem zweiten Magnetkern (32), wobei der erste Magnetkern (26) einen Teil des zweiten Magnetkerns (32) ausbildet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung in einen menschlichen Körper. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In der Medizintechnik werden Vorrichtungen zur induktiven Energieübertragung verwendet, bei der eine außerhalb eines menschlichen Körpers angeordnete Sendeeinheit eine Sendespule aufweist, deren Magnetfeld in einer dem menschlichen Körper angeordneten Empfangseinheit in deren Empfangsspule Energie induziert, die zumindest mittelbar dem Laden eines im menschlichen Körpers angeordneten Akkus dient. Bekannt ist ein derartiges System als sogenanntes VAD (Ventricular Assist Device)-System, das zum Betreiben einer der Unterstützung des Herzens eines Patienten dienenden Pumpe dient ( DE 10 2016 106 683 A1 ).
Wesentlich für eine derartige Vorrichtung, und das betrifft sowohl die Empfangseinheit als auch die Sendeeinheit ist es, dass diese möglichst kompakt ausgebildet sind. Dadurch wird zum einen mit Blick auf die Empfangseinheit der im Körper erforderliche Raum für die Anordnung der Empfangseinheit minimiert, während mit Blick auf die Sendeeinheit der Tragekomfort einer derartigen Sendeeinheit für einen Patienten unter dessen Kleidung erhöht wird. Weiterhin weisen die Sendeeinheit bzw. die Empfangseinheit typischerweise ein Gehäuse auf, in dem die Bauteile der jeweiligen Einheit angeordnet sind. Es ist auch bekannt, dass neben der Sendespule bzw. der Empfangsspule zu deren Betrieb eine elektronische Schaltung erforderlich ist, die typischerweise auch eine sogenannte Resonanz- oder Drosselspule umfasst. Eine derartige Resonanz- bzw. Drosselspule umfasst, ebenso wie die Sendespule bzw. die Empfangsspule, einen Magnetkern und eine mit dem Magnetkern zusammenwirkende Drahtwicklung. Im Falle der Resonanz- oder Drosselspule ist diese typischerweise Bestandteil eines Resonanzkreises und beim Stand der Technik immer diskret, d.h. getrennt von der Sendespule bzw. Empfangsspule auf einem Schaltungsträger (Leiterplatte) zusammen mit anderen elektronischen Bauelementen angeordnet. Durch die separate Anordnung und Ausbildung der Magnetkerne für die Sendespule bzw. Empfangsspule sowie für die Resonanz- bzw. Drosselspule ergibt sich dadurch insbesondere mit Blick auf die jeweiligen Magnetkerne insgesamt gesehen eine vergrößerte Bauhöhe der Sendeeinheit bzw. Empfangseinheit, da die Resonanz- oder Drosselspule ober- bzw. unterhalb der Ebene der Sendespule bzw. Empfangsspule angeordnet ist und somit auch die Bauhöhe des Gehäuses der Sendeeinheit bzw. der Empfangseinheit beeinflusst.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie eine besonders kompakte Anordnung von Sendespule bzw. Empfangsspule sowie der Resonanz- oder Drosselspule in der Sendeeinheit bzw. der Empfangseinheit ermöglicht.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen Teil des Magnetkerns der Sendespule bzw. der Empfangsspule gleichzeitig als Teil des Magnetkerns der Resonanz- oder Drosselspule bzw. umgekehrt zu verwenden bzw. auszubilden. Dadurch lässt sich nicht nur Material für die Magnetkerne einsparen, sondern gleichzeitig auch eine besonders kompakte Anordnung der beiden Magnetkerne zueinander ermöglichen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung in einen menschlichen Körper sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung der Vorrichtung ist es vorgesehen, dass der erste Magnetkern (der Sende- oder Empfangsspule) in Anlagekontakt mit einer Stirnseite des zweiten Magnetkerns (der Resonanz- oder Drosselspule) angeordnet ist.
Weiterhin ist es zur Erfüllung der vorgesehenen Funktionalität in bevorzugter konstruktiver Ausgestaltung vorgesehen, dass die Sendespule oder die Empfangsspule konzentrisch zueinander angeordnete Drahtwicklungen und die Resonanz- oder Drosselspule konzentrisch zueinander angeordnete zweite Drahtwicklungen aufweist, und dass die ersten Drahtwicklungen radial außerhalb der zweiten Drahtwicklungen angeordnet sind.
Insbesondere führt die letztgenannte Ausgestaltung zu einer geometrischen Anordnung, bei der die Resonanz- oder Drosselspule konzentrisch zu einer Längsachse des ersten Magnetkerns angeordnet ist.
Eine soweit beschriebene konstruktive Anordnung bzw. Ausgestaltung der beiden Spulen (Sendespule und Empfangsspule bzw. Resonanz- oder Drosselspule) ermöglicht insbesondere eine gewünschte Entkopplung der Sende- und der Empfangsspule mit der Resonanz- oder Drosselspule aufgrund der ausgewählten Topologie sowie aufgrund der Konstruktion der Sende- bzw. Empfangsspule selbst. Insbesondere weisen die Sendespule und die Empfangsspule einen sehr geringen Kopplungsfaktor zur Resonanz- oder Drosselspule auf, weil die (magnetischen) Felder der Sendespule bzw. Empfangsspule von einer Seite von dem Ferritkern eingeschlossen wird. Die Rückführung der magnetischen Felder auf der anderen Seite erfolgt dann über die Luft über einen längeren Weg und führt dadurch zu der oben erwähnten geringen Kopplung. Typischerweise weist die soweit beschriebene konstruktive Anordnung der Spulen einen sehr geringen Kopplungsfaktor von typischerweise etwa bis 0,05 auf.
Eine weitere bevorzugte konstruktive Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Magnetkern scheibenförmig mit wenigstens einer radial um die Längsachse umlaufenden nutartigen Vertiefung zur Aufnahme von ersten Drahtwicklungen der Sende- oder Empfangsspule ausgebildet ist.
Insbesondere bei der letztgenannten Bauform ist es darüber hinaus vorgesehen, dass die Resonanz- oder Drosselspule auf der den ersten Drahtwicklungen abgewandten Seite der wenigstens einen Vertiefung angeordnet ist.
Zur positiven Beeinflussung der Sättigung des Kernmaterials des Magnetkerns der Resonanz- oder Drosselspule sowie zum Zweck einer optimalen Führung der magnetischen Feldlinien ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn der erste Magnetkern im Anlagebereich des zweiten Magnetkerns eine Wandstärke aufweist, die der Wanddicke eines mittleren Schenkels des E-Kerns des zweiten Magnetkerns entspricht.
Weiterhin umfasst die Erfindung auch die Verwendung einer soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieübertragung in einen menschlichen Körper, insbesondere als Bestandteil eines VAD-Systems.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in der einzigen Figur eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung in einen menschlichen Körper.
Die in der einzigen Figur dargestellte Vorrichtung 10 ist insbesondere als Bestandteil eines sogenannten VAD-Systems 100 ausgebildet, wobei das VAD-System 100 eine Pumpe zur Unterstützung der Herzfunktion eines Patienten umfasst, welche über einen nicht dargestellten Akku betrieben bzw. mit Energie versorgt wird. Diese Akku wird mittels der Vorrichtung 10 aufgeladen.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine in einem menschlichen Körper 1 angeordnete Empfangseinheit 12 mit einem Gehäuse 13, in dem eine Empfangsspule 14, die in der Darstellung der Figur stark vereinfacht dargestellt ist, angeordnet ist. Die Empfangsspule 14 dient zum zumindest mittelbaren Laden des angesprochenen Akkus, beispielsweise über nicht dargestellte Drahtverbindungen zum Akku sowie eine nicht dargestellte elektronische Schaltung. Weiterhin umfasst die Empfangseinheit 12 neben der Empfangsspule 14 eine ebenfalls rein schematisch dargestellte Drosselspule 16, die nicht Bestandteil eines Empfangsschwingkreises ist.
Die Empfangseinheit 12 wirkt mit einer außerhalb des Körpers 1 angeordneten Sendeeinheit 20 zusammen. Die Sendeeinheit 20 umfasst beispielhaft ein Gehäuse 22, das einerseits in zumindest mittelbarem Anlagekontakt mit der Haut 2 des Körpers 1 und in Ausrichtung mit der Empfangseinheit 12 positionierbar ist, und andererseits in seinem Innenraum eine Sendespule 24 aufweist. Die Sendespule 24 besteht aus einem scheibenförmigen ersten Magnetkern 26, der auf der der Empfangseinheit 12 zugewandten Seite eine radial umlaufende, nutartige Vertiefung 28 aufweist. Im Bereich der Vertiefung 28 sind konzentrisch zueinander um eine Längsachse 42 des ersten Magnetkerns 26 angeordnete erste Drahtwicklungen 30 angeordnet, die zur Erzeugung eines magnetischen Feldes (nicht dargestellt) dienen, um in die Empfangsspule 12 elektrische Energie zu induzieren, die zum Laden des angesprochenen Akkus dient.
Die Sendespule 24 weist beispielhaft eine Höhe h₁ auf. Auf der der Empfangseinheit 12 abgewandten Seite des ersten Magnetkerns 26 ist ein zweiter Magnetkern 32 als Teil einer Resonanz- oder Drosselspule 34 angeordnet. Der zweite Magnetkern 32 ist in Form eines E-Magnetkerns 32 ausgebildet. Um einen (zentralen) mittleren Schenkel 38 des zweiten Magnetkerns 36 sind konzentrisch zweite Drahtwicklungen 40 der Resonanz- oder Drosselspule 34 gewickelt.
Wie anhand der Darstellung der Figur erkennbar ist, ist der mittlere Schenkel 38 darüber hinaus konzentrisch zur Längsachse 42 des ersten Magnetkerns 26 angeordnet. Weiterhin verlaufen die zweiten Drahtwicklungen 40 radial innerhalb der ersten Drahtwicklungen 30 der Sendespule 24.
Die dem ersten Magnetkern 26 zugewandte Stirnfläche 44 des zweiten Magnetkerns 36 liegt mit ihren drei Schenkeln 37 bis 39 unmittelbar an der Stirnfläche 46 des ersten Magnetkerns 26 an. Weiterhin ist anhand der Darstellung der Figur erkennbar, dass die Dicke d des mittleren Schenkels 38 des zweiten Magnetkerns 32 der Wandstärke s des ersten Magnetkerns 26 im Überdeckungsbereich des zweiten Magnetkerns 32 mit dem ersten Magnetkern 26 entspricht. Der zweite Magnetkern 32 weist eine Höhe h₂ auf. Anhand der Darstellung der Figur ist darüber hinaus erkennbar, dass die Gesamthöhe H des Gehäuses 22 der Sendeeinheit 20 im Wesentlichen von der Summe der beiden Höhen h₁ und h₂ der beiden Magnetkerne 26 und 32 abhängt bzw. von diesen bestimmt wird.
Die soweit beschriebene Vorrichtung 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere wird erwähnt, dass die spezielle Ausbildung der Sendespule 24 und der Resonanz- oder Drosselspule 34 bzw. deren Magnetkerne 26, 32 anhand der Sendeeinheit 20 beschrieben wurde. Ebenso gut ist es möglich, dass der beschriebene Aufbau in analoger Weise im Bereich der Empfangseinheit 12 vorgesehen ist. Dadurch ergibt sich ebenfalls eine Minimierung der Bauhöhe des Gehäuses 13 der Empfangseinheit 12.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016106683 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (10) zur induktiven Energieübertragung in einen menschlichen Körper (1), mit einer Sendespule (24) und/oder einer Empfangsspule (14) mit einem ersten Magnetkern (26) und einer Resonanz- oder Drosselspule (16, 34) mit einem zweiten Magnetkern (32), wobei der erste Magnetkern (26) einen Teil des zweiten Magnetkerns (32) ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Magnetkern (26) in Anlagekontakt mit einer Stirnfläche (46) des zweiten Magnetkerns (32) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespule (24) und/oder die Empfangsspule (14) konzentrisch zueinander angeordnete erste Drahtwicklungen (30) und die Resonanz- oder Drosselspule (16, 34) konzentrisch zueinander angeordnete zweite Drahtwicklungen (40) aufweist, und dass die ersten Drahtwicklungen (30) radial außerhalb der zweiten Drahtwicklungen (40) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanz- oder Drosselspule (16, 34) konzentrisch zu einer Längsachse (42) des ersten Magnetkerns (26) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Magnetkern (26) scheibenförmig mit wenigstens einer radial um die Längsachse (42) umlaufenden Vertiefung (28) zur Aufnahme von ersten Drahtwicklungen (30) der Sendespule (24) und/oder der Empfangsspule (14) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanz- oder Drosselspule (16, 34) auf der den ersten Drahtwicklungen (30) abgewandten Seite der Vertiefung (28) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Magnetkern (32) in Form eines E-Magnetkerns (32) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Magnetkern (26) im Anlagebereich zum zweiten Magnetkerns (32) eine Wandstärke (s) aufweist, die der Wanddicke (d) eines mittleren Schenkels (38) des zweiten Magnetkerns (32) entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanz- oder Drosselspule (16, 34) auf der einer Kontaktseite der Sendespule (24) und/oder Empfangsspule (14) abgewandten Seite angeordnet ist.
Verwendung einer Vorrichtung (10), die nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist zur Energieübertragung in einen menschlichen Körper (1), insbesondere als Bestandteil eines VAD-Systems (100).