[实用新型]小型磁耦合谐振无线能量传输系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种小型磁耦合谐振无线能量传输系统。 

背景技术

随着科学技术的发展，各种功能的植入电子医疗产品不断进入人们的生活中，它们在疾病的诊断、治疗、肢体矫正、康复等方面发挥着巨大的作用，为患者带去生活上的方便甚至延续着患者的生命。 

电源技术是植入电子器件的诸多技术中最关键的技术之一。尽管植入电子器件存在着多种可能的供电方式，目前各类生物体内装置普遍采用电池供电的电源模式，虽然电池容量在不断增大，但由于其没有实时能量补给功能始终存在电量耗尽的窘境。电能无线传输一直是人类的梦想，多年来国内外一些科学家执着地开展着这项研究，但进展甚微。2007年MIT的科学家在电能无线传输原理上有了突破性进展，他们利用电磁耦合谐振原理实现了中距离的电能无线传输，在2m多距离内将一个60W的灯泡点亮，且传输效率达到40％左右，这种方法被称作Witricity技术。该技术与其他技术相比具有以下优点：(1)可以定向的传输能量，只有当谐振线圈存在时才能接收能量。由于生物组织的固有谐振频率一般非常低，对能量的传输几乎没有影响，所以该技术对于人体来说是安全的。(2)可以进行中距离的无线能量传输，传统的方法一旦传输距离有所增大传输效率便会急剧下降。 

(3)具有很强的适应性，在能量传输的过程中不受中间障碍的影响，即在视线达不到的地方依然能够有效地传输能量。 

由以上可知Witricity技术在给植入性电子医学器件进行无线能量传输方面具有很大的优越性。近年来，随着微电子技术的飞速发展，植入式医疗器械正朝着小型化和集成化方向发展。传统的植入式医疗器械经皮能量传输的磁耦合电感线圈多采用机器或人工缠绕，重复性差，电感量控制困难，而且带磁芯的线圈体积较大，不利于系统的微型化。 

现阶段Witricity无线传能技术还处于起步阶段，相关理论和实验研究还比较欠缺，尤其是针对体内植入器件的Witricity无线传能，几乎没有相关文献。 

发明内容

本实用新型要解决的技术问题在于，基于磁耦合谐振无线传能原理设计了小型磁耦合谐振系统，即提供一种小型磁耦合谐振无线能量传输系统，尤其是小尺寸谐振器以及磁耦合谐振无线能量传输系统，小尺寸谐振器尺寸仅为1.35cm³。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：采用印制板直接制作一种设适用于植入器件的小尺寸平面螺旋谐振线圈，该线圈正反两面覆铜，使得谐振器在体积减小的情况下谐振频率不会变的很高，能够很好的与系统谐振频率匹配，此外应用时域有限差分方法，对该植入线圈对人体头部电磁辐射的影响进行分析，验证该方法应用于体内植入器件的安全性。 

磁耦合谐振无线能量传输系统由四个主要部分组成：高频正弦信号发生和功率放大电路、激励线圈和小尺寸谐振初级线圈(线圈1)、小尺寸谐振次级线圈(线圈2)和能量汲取线圈以及整流滤波充电电路。如果将谐振初次级线圈直接与电路连接，则Witricity系统的谐振频率会受到很大干扰，因此加入激励线圈和能量汲取线圈，其中激励线圈与功率放大电路相连接，能量汲取线圈与负载相连。激励线圈和能量汲取线圈由线径1mm的铜线缠绕成3匝直径为5cm的螺旋线圈，与谐振初次级线圈通过感应耦合传能。整个系统的核心还是两个谐振线圈，小尺寸谐振初级线圈和小尺寸谐振次级线圈组成了一个完整的谐振器，从而实现两个线圈之间的能量传输。当两个线圈产生强烈的磁耦合谐振时，才能在较远的距离下有效地传递能量，在系统仿真时将激励线圈和能量汲取线圈忽略。系统采用方形平面螺旋谐振线圈，谐振线圈由三层组成，正面导体层由方形螺旋铜片组成，介质层为聚乙烯板，反面导体层由长方形铜片组成。正面导体层形成的电感与正反面导体层重叠部分形成的电容通过复杂的串并联电路构成系统所需要的谐振器，进行能量传递。 

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中： 

图1是本实用新型的磁耦合谐振无线能量传输系统结构图； 

图2是本实用新型的谐振器参数； 

图3(a)是本实用新型的输出功率与效率随距离变化图； 

图3(b)是本实用新型的输出功率与效率随水平位移变化图； 

图3(c)是本实用新型的输出功率与效率随旋转角度变化图； 

图4是本实用新型时间步长和空间步长的稳定性的稳定条件； 

图5是本实用新型的头模型中YZ平面SAR值分布情况 

图6是本实用新型的两种情况下SAR值在X方向分布。 

具体实施方式