CN209593109U - 一种具有阻抗匹配功能的小型植入式设备的无线供电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种具有阻抗匹配功能的小型植入式设备的无线供电装置，包括发射模块、功率传输模块和接收模块，发射模块包括发射线圈，功率传输模块包括初级谐振线圈和次级谐振线圈，接收模块包括接收线圈，发射模块用于与高频电源电连接，并通过发射模块的发射线圈将高频电源的能量通过磁感应耦合传输到初级谐振线圈中，再通过初级谐振线圈将能量输给次级谐振线圈，接收模块用于与负载电连接，接收模块通过接收线圈从次级谐振线圈通过磁感应耦合接收能量。本实用新型针对传统阻抗匹配技术需要增加额外的阻抗匹配电路的情况研发了具有阻抗匹配功能的无线供电装置，该装置具有成本少、体积小与消耗低等特点，可以广泛应用在无线电力传输领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线电力传输领域，具体涉及一种具有阻抗匹配功能的小型植入式设备的无线供电装置。
背景技术
传统的电气设备主要是通过使用导线或电缆来提供电力，但这种传输方式容易产生导线破损和电缆裸露等问题，影响供电***的安全性和可靠性，缩短电气设备的使用寿命。尽管小型再充电电池也可以用作能源，但由于它们潜在的化学成分、有限的生命周期和使用寿命的问题，他们的设计方法仍然处于早期的开发阶段。因此，一种具有远距离无线传输功能的供电***已经引起了人们的关注，它能在一定程度上弥补传统电能传输的缺陷，具有重大的意义。
所谓的阻抗匹配是指负载阻抗与信号源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态，它反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系。目前，国内外许多的研究人员对无线供电装置的阻抗匹配电路进行了大量的研究，在阻抗匹配领域取得了卓有成效的成就，例如，使用变压器来做阻抗转换、使用串联/并联电容或电感等方法。然而这些阻抗匹配方法都是利用增加额外的阻抗匹配电路来提高电路的输出功率，但是无线供电装置的体积和成本会随着额外的电感和电容的增加而增加。
实用新型内容
本实用新型针对传统阻抗匹配技术需要增加额外的阻抗匹配电路的情况研发了具有阻抗匹配功能的无线供电装置，该装置具有成本少、体积小与消耗低等特点，可以广泛应用在无线电力传输领域，本实用新型的技术方案如下：
一种具有阻抗匹配功能的小型植入式设备的无线供电装置，所述装置包括发射模块、功率传输模块和接收模块，所述发射模块包括发射线圈，所述功率传输模块包括初级谐振线圈和次级谐振线圈，所述接收模块包括接收线圈，所述发射模块用于与高频电源电连接，并通过所述发射模块的发射线圈将高频电源的能量通过磁感应耦合传输到初级谐振线圈中，再通过初级谐振线圈将能量通过磁感应耦合传输给次级谐振线圈，所述接收模块用于与负载电连接，所述接收模块通过接收线圈从次级谐振线圈通过磁感应耦合接收能量。
进一步地，所述功率传输模块还包括初级调谐电容和次级调谐电容，所述初级调谐电容串联于所述初级谐振线圈中，所述次级调谐电容串联于所述次级谐振线圈中。
进一步地，还包括壳体，所述壳体上设置有电源接入端口和负载接入端口，所述发射模块、功率传输模块和接收模块均封装于所述壳体中，且所述发射线圈、初级谐振线圈、次级谐振线圈和接收线圈依次间隔排列设置，所述发射线圈与电源接入端口串联，所述接收线圈与所述负载接入端口串联。
本实用新型的有益效果：
本实用新型针对传统阻抗匹配技术需要增加额外的阻抗匹配电路的情况研发了具有阻抗匹配功能的无线供电装置，该装置具有成本少、体积小与消耗低等特点，可以广泛应用在无线电力传输领域。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的具有阻抗匹配功能的小型植入式设备的无线供电装置的模型示意图；
图2为本实用新型实施例提供的具有阻抗匹配功能的小型植入式设备的无线供电装置的等效电路模型示意图；
图3为本实用新型实施例提供的功率传输模块与接收模块的模型设计图；
图4为本实用新型实施例提供的发射模块的模型设计图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的无线供电装置主要包括发射模块(TX)，接收模块(RX)和功率传输模块(PT)三个部分，所述发射模块包括发射线圈，所述功率传输模块包括初级谐振线圈和次级谐振线圈，所述接收模块包括接收线圈，所述发射模块用于与高频电源电连接，并通过所述发射模块的发射线圈将高频电源的能量通过磁感应耦合传输到初级谐振线圈中，再通过初级谐振线圈将能量通过磁感应耦合传输给次级谐振线圈，所述接收模块用于与负载电连接，所述接收模块通过接收线圈从次级谐振线圈通过磁感应耦合接收能量；所述功率传输模块还包括初级调谐电容和次级调谐电容，所述初级调谐电容串联于所述初级谐振线圈中，所述次级调谐电容串联于所述次级谐振线圈中。
优选地，还包括壳体，所述壳体上设置有电源接入端口和负载接入端口，所述发射模块、功率传输模块和接收模块均封装于所述壳体中，且所述发射线圈、初级谐振线圈、次级谐振线圈和接收线圈依次间隔排列设置，所述发射线圈与电源接入端口串联，所述接收线圈与所述负载接入端口串联。
如图1和图2所示，为本实用新型实施例提供的具有阻抗匹配功能的小型植入式设备的无线供电装置的模型示意图及等效电路模型示意图，其中，E、RS分别为输入电源的电压和电阻，C2为初级调谐电容，C3为次级调谐电容，L1、L4分别是发射线圈与接收线圈，L2、L3分别是初级谐振线圈与次级谐振线圈，R1为发射线圈的寄生电阻，R2为初级谐振线圈的寄生电阻，R3为次级谐振线圈的寄生电阻，R4为接收线圈的寄生电阻，RL为负载电阻，K12为发射线圈与初级谐振线圈之间的耦合系数，K34为接收线圈与次级谐振线圈之间的耦合系数。图3为功率传输模块与接收模块的模型设计图，其中，RIN,RX为接收模块的输入电阻。图4为发射模块的模型设计图，其中，RIN,TX为发射模块的输入电阻。
接下来，我们对***中的发射模块，接收模块和功率传输模块分别做分析，其分析过程如下所示：
(一)功率传输模块的分析：
首先，我们对功率传输模块的功率传输效率ηPT分析得：
其中，Q2和Q3是初级谐振线圈与次级谐振线圈的品质因数。
然后，从方程(1)中可以看出,当ηPT可以达到最大值时，有：
之后，ηPT的最大值ηPT,MAX可以由下式给出：
因此,由上式可知ηPT,MAX随着的增加而增加。为了得到次级谐振线圈与接收线圈的耦合系数K23的最大值，我们必须选择最优的线圈直径，因此，便可以确定电感L2和电阻R2的阻抗值，其电容C2可由共振频率确定。
(二)接收模块的分析：
首先，定义好次级谐振线圈的物理尺寸、初级谐振线圈与次级谐振线圈之间的距离。由于次级谐振线圈的大小主要取决于其物理尺寸，因此，我们可以确定电感L3的参数值。然后，我们调节了电感L3和电阻R3的大小使品质因数变成最大值，由此我们可以确定电阻R3的大小，最后，电容C3可由共振频率确定。
然后，我们对接收模块的功率传输效率ηRX分析可得：
之后，因为电阻RL的阻值要远远大于电阻R4的阻值，可以把ηRX近似看成1。
最后，从图1可以计算出接收模块的输入阻抗：
电阻R4和电感L4的阻抗值可以由方程(2)和(5)的结果来确定。
(三)发射模块的分析：
假设RIN,TX等于RMATCH，则发射模块的功率传输效率ηTX为：
因为远远大于1，所以可以把ηTX近似看成1。
从图1中可以看出RIN,TX的计算公式为：
则发射模块的最大输入功率PIN,TX,MAX为：
当RIN,TX与RS相等时，电阻R1和电感L1的阻抗值便可以确定。
根据以上分析，确定电容C2至C3、电感L1至L4、电阻R1至R4的阻抗值，可使***的负载输出功率PLOAD达到最大值，即：
因此，我们可以得出结论：本实用新型可以在不使用阻抗匹配电路的情况下，就能实现无线供电装置的最大输出功率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (3)
1.一种具有阻抗匹配功能的小型植入式设备的无线供电装置，其特征在于，所述装置包括发射模块、功率传输模块和接收模块，所述发射模块包括发射线圈，所述功率传输模块包括初级谐振线圈和次级谐振线圈，所述接收模块包括接收线圈，所述发射模块用于与高频电源电连接，并通过所述发射模块的发射线圈将高频电源的能量通过磁感应耦合传输到初级谐振线圈中，再通过初级谐振线圈将能量通过磁感应耦合传输给次级谐振线圈，所述接收模块用于与负载电连接，所述接收模块通过接收线圈磁感应耦合接收从次级谐振线圈传输的能量。
2.根据权利要求1所述的具有阻抗匹配功能的小型植入式设备的无线供电装置，其特征在于，所述功率传输模块还包括初级调谐电容和次级调谐电容，所述初级调谐电容串联于所述初级谐振线圈中，所述次级调谐电容串联于所述次级谐振线圈中。
3.根据权利要求1所述的具有阻抗匹配功能的小型植入式设备的无线供电装置，其特征在于，还包括壳体，所述壳体上设置有电源接入端口和负载接入端口，所述发射模块、功率传输模块和接收模块均封装于所述壳体中，且所述发射线圈、初级谐振线圈、次级谐振线圈和接收线圈依次间隔排列设置，所述发射线圈与电源接入端口串联，所述接收线圈与所述负载接入端口串联。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201920206058.XU CN209593109U (zh) | 2019-02-18 | 2019-02-18 | 一种具有阻抗匹配功能的小型植入式设备的无线供电装置 |
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| CN201920206058.XU CN209593109U (zh) | 2019-02-18 | 2019-02-18 | 一种具有阻抗匹配功能的小型植入式设备的无线供电装置 |
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ID=68354875
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| CN201920206058.XU Active CN209593109U (zh) | 2019-02-18 | 2019-02-18 | 一种具有阻抗匹配功能的小型植入式设备的无线供电装置 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN209593109U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111398724A (zh) * | 2020-04-20 | 2020-07-10 | 杭州电子科技大学温州研究院有限公司 | 一种无线供电用植入式集成线圈的检测方法 |
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2019
- 2019-02-18 CN CN201920206058.XU patent/CN209593109U/zh active Active
Cited By (2)
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| CN111398724A (zh) * | 2020-04-20 | 2020-07-10 | 杭州电子科技大学温州研究院有限公司 | 一种无线供电用植入式集成线圈的检测方法 |
| CN111398724B (zh) * | 2020-04-20 | 2021-12-21 | 杭州电子科技大学温州研究院有限公司 | 一种无线供电用植入式集成线圈的检测方法 |
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