CN201985630U - 一种多维无线能量传输装置 - Google Patents

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黄平
薛凯峰
郝海青
李杨
刘修泉
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Abstract

本实用新型公开了一种多维无线能量传输装置，包括能量发射装置和能量接收装置，所述能量发射装置由高频电源、发射线圈、初级补偿电容串联而成；所述能量接收装置包括三个接收线圈绕组、三个全桥整流电路、滤波稳压电路；所述接收线圈三个绕组分别与三个全桥整流电路的输入端连接，三个全桥整流电路的输出端并联连接后与滤波稳压电路的输入端连接，该稳压电路的输出端与微机电***负载接。本实用新型结构简单，易于操作，有望广泛应用于微机电***的无线能量传输。

Description

一种多维无线能量传输装置
技术领域
本实用新型涉及用于医疗器械中微机电***上使用的装置，特别涉及一种多维无线能量传输装置。
背景技术
随着电子技术、生物医学技术的发展，用于人体诊疗的体内微机电***逐渐得到推广应用，如心脏起搏器、神经记录***、人工耳蜗等。由于采用化学电池为体内微机电***供电的方式存在供电时间短，且有较大安全隐患等缺点，基于电磁感应原理的松耦合无线能量传输***引起了广泛的研究兴趣。目前，单维无线能量传输***已应用于某些体内器官移植装置的供电***，如心脏起搏器、人工视网膜和胶囊内窥镜等。当前，无线供能技术在体内微机电***中的应用主要存在如下几个问题：
(1)无线能量传输***的输出电能功率、效率问题。由于无线供能***发射线圈与接收线圈之间的耦合系数较小，在输入电能功率一定时，输出电能功率、效率较小，不能完全满足体内诊疗微机电***对电源的要求。
(2)无线能量传输***供能稳定性的问题。由于无线能量传输***接收线圈的姿态与位置跟随体内微机电***不断变化，同时单维无线能量传输***的效率具有很强的方向性，这就造成其传输效率时高时低，甚至完全不能输出能量，稳定性很差。
(3)无线能量传输***的微型化。由于无线能量传输***传输效率较低，为了获得较大功率的电能输出，通常做法是增大接收线圈的尺寸，这就给***的微型化带了困难。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、合理、易于制作，适合体内微机电***的多维无线能量传输装置。
本实用新型通过下述技术方案实现：
一种多维无线能量传输装置，包括能量发射装置和能量接收装置，
所述能量发射装置由高频电源、发射线圈、初级补偿电容串联连接而成；
所述能量接收装置包括三个接收线圈绕组、三个全桥整流电路、滤波稳压电路；所述接收线圈三个绕组分别与三个全桥整流电路的输入端连接，三个全桥整流电路的输出端并联连接后与滤波稳压电路的输入端连接，该稳压电路的输出端与微机电***负载连接。
所述发射线圈与接收线圈为分体式。所述接收线圈的三个绕组为三个正交绕组。所述接收线圈三个绕组与三个全桥整流电路的输入端之间还分别串连有三个次级补偿电容。
所述发射线圈采用利兹线绕制，线圈的骨架为空心圆柱体，所述骨架的内径240mm，厚度3mm，线槽高度72mm；所述接收线圈的磁芯为圆柱体结构。
高频电源将工频交流电转换为频率为366kHz的高频正弦波电压，发射线圈将能量以交变磁场的形式发射。通过电磁感应，三个接收线圈的绕组产生三个感生电压，分别流经三个全桥整流电路，再经滤波稳压电路处理后为体内微机电***负载供电。
与现有技术相比本实用新型的有益效果在于：
(1)本实用新型克服了化学电池能量有限，存在安全隐患的缺点；(2)本实用新型的输出功率较高且效率也得到有效提升；(3)本实用新型的输出电压具有较好的稳定性，利于实现连续平稳供能；(4)本实用新型结构简单，合理，易于实现，可以广泛应用于体内微机电***的多维无线供能***。
附图说明
图1为本实用新型多维无线能量传输装置的发射线圈结构示意图。
图2是本实用新型多维无线能量传输装置的接收线圈所含三个正交绕组结构示意图。
图3是本实用新型多维无线能量传输装置的结构与连接示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步具体详细描述，但本实用新型的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例
如图3所示，本实用新型多维无线能量传输装置，包括能量发射装置20和能量接收装置19，所述能量发射装置20由高频电源7、发射线圈1、初级补偿电容8串联而成；所述能量接收装置包括三个接收线圈绕组3、4、5、三个全桥整流电路12、13、14、滤波稳压电路17；所述接收线圈三个绕组3、4、5分别与三个全桥整流电路12、13、14的输入端连接，三个全桥整流电路12、13、14的输出端并联连接后与滤波稳压电路17的输入端连接，该稳压电路17的输出端与微机电***负载18连接。
所述能量发射装置20和能量接收装置19采用分体式结构。
所述接收线圈的三个绕组3、4、5为三个正交绕组。
所述接收线圈三个绕组3、4、5与三个全桥整流电路12、13、14的输入端之间还分别串连有三个次级补偿电容9、10、11。
本实用新型基本工作原理是，高频电源7将工频交流电转换为频率为366kHz的高频正弦波电压，发射线圈1将能量以交变磁场的形式发射。通过电磁感应，三个接收线圈的绕组3、4、5产生三个感生电压，分别流经三个全桥整流电路12、13、14，再经滤波稳压电路17处理后为体内微机电***负载18供电。
如图1，所述发射线圈1采用φ0.10×100的利兹线绕制，线圈1的骨架2为空心圆柱体(采用聚氯乙烯制成)，所述骨架(2)的内径240mm，厚度3mm，线槽高度72mm。
如图2所示，所述接收线圈3、4、5的磁芯6为圆柱体结构。
应用时，接收线圈的三个绕组3、4、5被放置于体内，最常用的是采用一个或两个接收绕组。由于接收线圈绕组的姿态是不确定的，设接收线圈中的一个绕组的轴线与磁感应强度方向的夹角为θ，那么由法拉第电磁感应定律可得该绕组的感应电压为：
V＝2πfNBSsinθ
式中，f为***运行频率；N为线圈绕组匝数，B为磁感应强度，S为绕组截面积。
由上式可知，感应电压的大小是随θ变化的，当
Figure BDA0000058264300000041
0时，感应电压为零。即使接收线圈采用两个绕组，其两个绕组依然存在同时与磁感应强度方向夹角为0的可能。为了避免这一极限情况，得到稳定的输出电压，保证用电***的正常工作，接收线圈采用多维正交绕组结构。
微机电***负载18要求电压在2.8V左右，电流50mA，功率约150mW。根据以上要求，选择工作频率366kHz，接收线圈磁芯6为φ12×8的圆柱体，材料为铁氧体TDK PC50，三个绕组采用φ0.10×3的漆包线，具体结构如附图2所示。
如上所述，需要注意的是，接收线圈绕组3、4、5的输出为三个独立的感应交流电压，尚不能直接为微机电***供电，还需经全桥整流电路12、13、14，再经滤波稳压电路17处理后才能为微机电***负载18供电。滤波稳压电路17由滤波电容15和稳压芯片16组成。上述全桥整流电路12、13、14及滤波稳压电路17可采用微型化集成设计，尺寸较小，便于微型化封装。
如上所述便可较好地实现本实用新型。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多维无线能量传输装置，包括能量发射装置(20)和能量接收装置(19)，其特征在于：
所述能量发射装置(20)由高频电源(7)、发射线圈(1)、初级补偿电容(8)串联而成；
所述能量接收装置包括三个接收线圈绕组(3、4、5)、三个全桥整流电路(12、13、14)、滤波稳压电路(17)；所述接收线圈三个绕组(3、4、5)分别与三个全桥整流电路(12、13、14)的输入端连接，三个全桥整流电路(12、13、14)的输出端并联连接后与滤波稳压电路(17)的输入端连接，该稳压电路(17)的输出端与微机电***负载(18)连接。
2.根据权利要求1所述的多维无线能量传输装置，其特征在于：所述发射线圈与接收线圈为分体式。
3.根据权利要求1或2所述的多维无线能量传输装置，其特征在于：所述接收线圈的三个绕组(3、4、5)为三个正交绕组。
4.根据权利要求3所述的多维无线能量传输装置，其特征在于：所述接收线圈三个绕组(3、4、5)与三个全桥整流电路(12、13、14)的输入端之间还分别串联有三个次级补偿电容(9、10、11)。
5.根据权利要求3所述的多维无线能量传输装置，其特征在于：所述发射线圈(1)采用利兹线绕制，线圈(1)的骨架(2)为空心圆柱体，所述骨架(2)的内径240mm，厚度3mm，线槽高度72mm。
6.根据权利要求3所述的多维无线能量传输装置，其特征在于：所述接收线圈(3、4、5)的磁芯(6)为圆柱体结构。
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