用于弱耦合无线能量传输系统的三维正交能量接收装置

摘要

一种用于弱耦合无线能量传输系统的三维正交能量接收装置，锰锌铁氧体磁芯的圆柱面上开有四个等角度间隔的第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽，第一维接收线圈缠绕于第一凹槽和第三凹槽上，第二维接收线圈缠绕于第二凹槽和第四凹槽上，第一维接收线圈和第二维接收线圈分别包含两组绕线，各组绕线均为一侧为长方形另一侧为弧形的半圆柱形状的框架结构，第三维接收线圈缠绕于锰锌铁氧体磁芯的圆柱面外部，第一维接收线圈、第二维接收线圈和第三维接收线圈的等效平面分别两两垂直，使得三个维度的接收线圈整体于交变磁场中处于任意姿态时均产生感应电动势。本发明提高机器人整体的空间利用率和接收装置自身的空间利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种线圈技术领域的装置，具体是一种用于弱耦合无线能量传输系统 的三维正交能量接收装置。

背景技术

采用传统胃镜和肠镜对胃肠疾病进行诊疗时，医生通过控制后端细长纤维软管来推进 安装于胃肠镜前端的摄像头，摄像头的被动推进和细长柔软管的介入会给病人带来痛苦，同时， 该诊疗过程需要专业医生完成。为了克服传统胃肠镜的局限，研究人员将摄像头安装在具备主 动运动能力的微型机器人前端，这种微型机器人可分为两种类型：拖缆式和无缆式，拖缆式一 般指采用气源驱动的微型机器人，“缆”即为通气管；无缆式一般为通过机载微驱动器进行驱 动的微型机器人。拖缆式微型机器人的缆线与肠道间存在摩擦阻力，该阻力限制了该类型机器 人对肠道的诊疗范围，通常可完成对结肠的诊疗；而无缆式微型机器人则可实现对人体全消化 道的诊疗，因此受到更多研究者的重视。

无缆式微型机器人的实现有两个难点：机器人尺寸的微型化和对机载微驱动器的能量 供应。机器人尺寸微型化指其直径应小于人体消化道最小直径，其长度应尽量小以保证机器人 在肠道急弯处的通过性；机载微驱动器的能量供应指其能耗高达几百毫瓦，纽扣电池根本无法 满足这一能量需求，需要采用无线能量传输技术实现稳定持久的能量供应。

无线能量传输技术基于电磁感应原理，即体外发射线圈产生交变电磁场，体内接收线 圈在该交变电磁场的激励下感应出电动势，为机载微驱动器提供能量。用于胃肠道微型机器人 的接收线圈尺寸要比发射线圈尺寸小得多，发射线圈与接收线圈间的耦合系数很低，因此称该 类技术为弱耦合无线能量传输技术。另外，机器人在肠道内的姿态是不确定的，需要设计三维 正交能量接收装置来保证机器人在任意姿态下都能获得能量供应，所谓三维正交，指三个维度 的能量接收线圈平面相互垂直，三个维度接收线圈平面相互垂直可避免不同维度线圈间相互干 扰，保证接收的稳定性。

经对现有技术检索发现以下相关技术文献，北京生物医学工程，2013年第3期，第32 卷，第296～301页，公开了一种无线供能系统接收装置的结构设计。该接收装置采用一个外 观为正方体的锰锌铁氧体磁芯，然后依次在该磁芯上缠绕三个维度的线圈，且三个维度的线圈 平面相互垂直。该接收装置三个维度的接收线圈利用同一磁芯来提高其接收能量，实现了磁芯 的复用。然而，由于磁芯为正方体，缠绕线圈后的接收装置的外观同样为正方体，导致该接收 装置的空间利用率较低，因用于胃肠道的微型机器人外观通常设计为圆柱形以适应管状的肠道 环境。另外，该接收装置集成到微型机器人时，需单独占据一定的轴向长度空间，导致机器人 总长度的增加。

另外，生理测量2013年第11期，第34卷，公开了一种用于结肠诊疗的无线胶囊内镜。 该胶囊内镜的无线能量接收装置首次设计为圆环柱，可集成到机器人机构的外围，利用机构外 围的冗余圆环柱空间，避免了对机器人总长度的增加，提高了机器人整体的空间利用率。然而， 该无线能量接收装置自身的空间利用率较低，主要表现在该接收装置三个维度的接收线圈缠绕 在三个孤立的锰锌铁氧体磁芯上，未对磁芯进行复用。

综上所述，经对现有专利和公开技术检测，目前用于用于弱耦合无线能量传输系统的 三维正交能量接收装置，或存在单独占据轴向长度空间，导致机器人总长度增加的问题，或未 对磁芯进行复用，造成接收装置自身空间利用率低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于弱耦合无线能量传输系统的三维 正交能量接收装置，提高机器人整体的空间利用率和接收装置自身的空间利用率。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：第一维接收线圈和第二维接收线圈、 圆柱形的第三维接收线圈以及锰锌铁氧体磁芯，其中：锰锌铁氧体磁芯的圆柱面上开有四个等 角度间隔的第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽，第一维接收线圈缠绕于第一凹槽和第 三凹槽上，第二维接收线圈缠绕于第二凹槽和第四凹槽上，第一维接收线圈和第二维接收线圈 分别包含两组形状相互对称的绕线，各组绕线均为一侧为长方形另一侧为弧形的半圆柱形状的 框架结构，第三维接收线圈缠绕于锰锌铁氧体磁芯的圆柱面外部，第一维接收线圈、第二维接 收线圈和第三维接收线圈的等效平面分别两两垂直，使得第一维接收线圈、第二维接收线圈和 第三维接收线圈整体于交变磁场中处于任意姿态时均产生感应电动势。

所述的第一维接收线圈或第二维接收线圈的两组绕线相互对称是指两个框架结构的长 方形一侧相对设置。

所述的第一维接收线圈或第二维接收线圈的两组绕线的缠绕路径具体为：顺序经过锰 锌铁氧体磁芯的第一凹槽或第三凹槽的直线路径、锰锌铁氧体磁芯的圆柱面一端面外侧半圆形 状的拱形路径、第二凹槽或第四凹槽的直线路径以及圆柱面另一端面外侧半圆形状的拱形路 径。

所述的第一维接收线圈或第二维接收线圈的两组绕线的缠绕方向相同以保证两组绕线 产生同极性的感应电动势。

所述的第一维接收线圈或第二维接收线圈的两组绕线缠绕时，锰锌铁氧体磁芯的中心 圆孔中插入同轴圆柱以保证拱形路径的成形。

本发明提出的能量接收装置为圆环柱形态，可集成到机器人机构外围而不增加机器人 轴向长度，提高机器人整体的空间利用率；同时，该接收装置的三维接收线圈均缠绕在一个锰 锌铁氧体磁芯上，实现了磁芯的复用，提高了接收装置自身的空间利用率。空间利用率的提高 对于实现机器人尺寸的进一步微型化具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明的结构立体图；

图2为本发明的部件分解图；

图中：a为第一维接收线圈的结构示意图，b为第二维接收线圈的结构示意图，c为锰 锌铁氧体磁芯的结构示意图，d为第一维接收线圈设置于锰锌铁氧体磁芯的结构示意图，e为第 二维接收线圈设置于锰锌铁氧体磁芯的结构示意图，f为第三维接收线圈设置于锰锌铁氧体磁 芯的结构示意图，g为第一维接收线圈、第二维接收线圈和第三维接收线圈的整体设置示意图， h为第一维接收线圈、第二维接收线圈和第三维接收线圈的各个等效平面的三维坐标示意图；

图3为第一维接收线圈或第二维接收线圈的两组绕线的缠绕路径示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1和图2a-g所示，本实施例包括：形态相同的第一维接收线圈1和第二维接收线 圈2、圆柱形的第三维接收线圈3以及锰锌铁氧体磁芯4，其中：锰锌铁氧体磁芯4的圆柱面 上开有四个等角度间隔的第一凹槽5、第二凹槽6、第三凹槽7和第四凹槽8，第一维接收线圈 1缠绕于第一凹槽5和第三凹槽7上，第二维接收线圈2缠绕于第二凹槽6和第四凹槽8上， 第一维接收线圈1和第二维接收线圈2分别包含两组形状相互对称的绕线11、12，各组绕线11、 12均为一侧为长方形另一侧为弧形的半圆柱形状的框架结构，第三维接收线圈3缠绕于锰锌铁 氧体磁芯4的圆柱面外部，第一维接收线圈1、第二维接收线圈2和第三维接收线圈3的等效 平面分别两两垂直，使得第一维接收线圈1、第二维接收线圈2和第三维接收线圈3整体于交 变磁场中处于任意姿态时均产生感应电动势。

所述的第一维接收线圈1或第二维接收线圈2的两组绕线11、12相互对称是指两个框 架结构的长方形一侧相对设置。

如图3所示，所述的第一维接收线圈1或第二维接收线圈2的两组绕线11、12的缠绕 路径具体为：顺序经过锰锌铁氧体磁芯4的第一凹槽5或第三凹槽7的直线路径13→锰锌铁氧 体磁芯4的圆柱面一端面外侧半圆形状的拱形路径14→第二凹槽6或第四凹槽8的直线路径 15→圆柱面另一端面外侧半圆形状的拱形路径16。

所述的第一维接收线圈1或第二维接收线圈2的两组绕线11、12的缠绕方向相同以保 证两组绕线产生同极性的感应电动势。

所述的第一维接收线圈1或第二维接收线圈2的两组绕线11、12缠绕时，锰锌铁氧体 磁芯4的中心圆孔中插入同轴圆柱17以保证拱形路径的成形。

如图2h所示，第一、二维线圈1、2的等效平面和第三维接收线圈3所在平面的几何 关系示意图，如果第一维接收线圈1的等效平面9位于xoy平面，则第二维接收线圈2的等效 平面10位于xoz平面，第三维接收线圈3所在平面为yoz平面，第一维接收线圈1、第二维接 收线圈2和第三维接收线圈3平面相互垂直。第一维接收线圈1、第二维接收线圈2和第三维 接收线圈3与交变磁场的相对位姿关系可概括为以下三种情形：1)交变磁场方向只与其中一 个维度的接收线圈所在平面平行时，另两维度的接收线圈都将感应出电动势；2)交变磁场方 向与两个维度的接收线圈所在平面平行时，另一维度的接收线圈将感应出电动势，且对应该维 度的接收线圈的最大感应电动势；3)交变磁场方向与任一维度的接收线圈所在平面都不平行 时，三个维度的接收线圈都将感应出电动势。可见，三维接收线圈处于任意姿态时，都可在交 变磁场中感应出电动势，通常根据实际应用情形，对三维接收线圈串联或并联后输出，为微型 机器人供能。