用于胃肠道微型机器人的螺旋式方形发射线圈

摘要

一种用于胃肠道微型机器人的螺旋式方形发射线圈，包括：对称并串联设置于接收线圈两侧的双层螺旋式方形线圈，通过垫片固定于线圈外侧的平板磁芯，及外部驱动系统，其中：外部驱动系统与双层螺旋式方形线圈相连以产生交变磁场，接收线圈在交变磁场中通过产生感应电动势为胃肠道机器人提供驱动能量。本发明用于肠道机器人WPT系统的发射线圈结构，由方形螺旋式绕制的平板线圈对组合而成，外侧设置有平板磁芯，通过合理设置线圈的参数，如：线径、匝数、磁芯厚度等，调整发射线圈产生的磁场，从而提升磁场的均匀性，提高系统传输效率。缩减了线圈的轴向长度，有效减少了发射线圈的体积，线圈结构更为简单轻薄。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种无线能量传输领域的技术，具体是一种用于胃肠道微型机器人的螺旋式方形发射线圈。

背景技术

胃肠道微型机器人受尺寸限制和安全性等因素的影响，如何采用有效的供能方式是其重要的研究方向。基于电磁感应的无线能量传输技术能为胃肠道机器人提供有效的解决方式，而发射线圈是无线能量传输(wireless power transmission，WPT)系统的设计重点，目前较为典型的发射线圈结构主要有螺线管、螺线管对、分割螺线管、亥姆霍兹线圈等。这些传统发射线圈普遍采用中空圆柱体轴向绕线的方式，使用时存在空间占用大、传输效率低、磁场均匀性差、绕制复杂等问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于胃肠道微型机器人的螺旋式方形发射线圈，采用方形螺旋式绕制的平板线圈对，并在线圈外侧设有磁芯，不仅减小了发射线圈的体积，在保证传输功率满足要求的同时，也有效提升了磁场均匀性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于胃肠道微型机器人的螺旋式方形发射线圈，包括：对称并串联设置于接收线圈两侧的双层螺旋式方形线圈，固定于线圈外侧的平板磁芯，及外部驱动系统，其中：外部驱动系统与双层螺旋式方形线圈相连以产生交变磁场，接收线圈在交变磁场中通过产生感应电动势为胃肠道机器人提供驱动能量。

所述的双层螺旋式方形线圈包括：固定设置于线圈基板上的利兹线圈，其中：利兹线圈采用双层螺旋式方形绕制方法，外层采用逆时针绕制，内层采用顺时针绕制，且内外两层间隔距离及线圈匝数根据磁场大小确定。

所述的线圈基板为亚克力板，其厚度为8mm，且表面设有线圈槽。

所述的利兹线圈为多股绞合的由绝缘层包裹的利兹线。

所述的平板磁芯由高磁导率的锰锌铁氧体制成，其尺寸与线圈基板相同。

所述的外部驱动系统包括：外部电源、驱动电路板、真空电容器和电感，其中：外部电源与驱动电路板相连并为其供电，驱动电路板连接真空电容器、电感和利兹线圈形成回路，驱动电路板通过内部电阻生成方波激励信号。

技术效果

本发明整体解决了现有技术存在的空间占用大、传输效率低、磁场均匀性差、绕制复杂等问题。与现有技术相比，本发明通过内外层反向线圈的方式，可以在对称的发射线圈之间产生均匀的磁场，由此保证胃肠道机器人的位置稳定性，即在接收线圈位置随机变化的情况下仍然能够稳定的接收到所需能量。而在线圈外侧6cm处设置平板磁芯，能保证磁场均匀性的同时提高传输效率。

附图说明

图1为本实施例的结构示意图；

图中：a为无线供电发射端和胃肠道机器人的示意图；b为外部驱动系统的示意图；

图2为发射线圈对的结构示意图；

图3为单个螺旋式方形发射线圈的结构示意图；

图中：无线供能发射端1、胃肠道机器人2、外部驱动系统3、外部电源4、驱动电路板5、真空电容器6、电感7、平板磁芯8、线圈基板9、垫片10、利兹线圈11、第一层逆时针绕制线圈12、第二层顺时针绕制线圈13。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包括：无线供能发射端1和胃肠道机器人2，以及外部驱动系统3，其中：胃肠道机器人2位于待测体内，无线供能发射端1对称设置于待测体的两侧，外部驱动系统3与无线功能发射端1相连并产生交变磁场，从而为胃肠道机器人2提供驱动能量。

所述的胃肠道机器人2的内部设有接收线圈，且处于无线供能发射端1产生的交变磁场中，通过电磁感应原理产生感应电动势，从而驱动其在待测体内运动。

如图2所示，所述的无线供能发射端1包括：对称设置的一对串联的双层螺旋式方形线圈、设置于线圈基板外侧6cm处的平板磁芯。

所述的平板磁芯8由高磁导率的锰锌铁氧体制成，设置于线圈基板9外侧，两者中间用垫片10隔开。

所述的垫片10高6cm，用于固定平板磁芯8。

所述的平板磁芯具有轻薄、便于固定、传输功率密度高的特点，不仅可以约束周围的磁场分布，提高线圈间的耦合系数，同时也能减少周围的漏磁场。

所述的双层螺旋式方形线圈包括：线圈基板9和利兹线圈11，其中：利兹线圈11固定于线圈基板9上。

所述的线圈基板9为亚克力板，其厚度为8mm，且表面设有线圈槽用于固定利兹线圈11。

所述的亚克力板能够降低双层螺旋式方形线圈产生的磁场传播的能量损耗，且质量轻、绝缘性好。

所述的利兹线圈11包括：多股绞合的由绝缘层包裹的利兹线。

所述的利兹线圈11的外层设有尼龙或纱线以增强线的强度并为内部细线提供保护。

如图3所示，所述的双层螺旋式方形线圈采用双层螺旋式方形绕制方法，具体分为间距80mm的内外两层，两层由一根利兹线由外而内绕制，外层为采用紧密绕制方式的第一层逆时针绕制线圈12，内层为同样采用紧密绕制方式的第二层顺时针绕制线圈13。

所述的第一层逆时针绕制线圈12的匝数为15～30。

所述的第二层顺时针绕制线圈13的匝数为15～30。

如图1b所示，所述的外部驱动系统3包括：外部电源4、驱动电路板5、真空电容器6和电感7，其中：外部电源4与驱动电路板5相连并为其供电，无线供能发射端1与真空电容器6和电感7串联后连入驱动电路板5，驱动电路板5通过内部电阻生成方波激励信号。

所述的外部电源4包括：+5V和+12V的固定直流电，以及可调驱动电压。

所述的可调驱动电压的调整范围为0～100V。

所述的驱动电路板5通过调节自身参数，输出频率可调的方波，其常用频率在200kHz以上。

所述的方波的峰值由外部电源4提供的可调驱动电压决定。

所述的真空电容器6和电感7均可调。

上述装置通过以下方式工作：调节第一层逆时针绕制线圈12的外围边长可以调控平面内均匀磁场的面积；改变线圈匝数及内外层线圈间距调节磁场的大小；调节第一层逆时针绕制线圈12和第二层顺时针绕制线圈13的线圈匝数比例调节磁场整体的均匀性；调节真空电容器6和电感7，让发射线圈形成谐振，并将胃肠道机器人2的接收线圈也调节至和发射线圈一样的谐振频率，从而使得发射部分和接收部分形成弱耦合系统，整体能量传输效率达到最高。

当发射线圈内有交流电流时，第一层逆时针绕制线圈12产生两边弱中间强的磁场分布，而第二层顺时针绕制线圈13中电流方向相反，产生两边强中间弱的磁场分布，所以两层线圈结合起来时，实现均匀的磁场分布并能够综合调控，从而实现稳定的无线供能。同时，产生均匀磁场后，可适当提高电源电压而不会对待测体产生影响，为胃肠道机器人2提供充足的能量。

经过具体实际实验：线圈基板尺寸为500mm×500mm；利兹线为φ0.05×1100股，线径为2.5mm；外层线圈匝数为25，内层线圈匝数为20；平板磁芯厚度为8mm；接收线圈为φ12mm×11mm的螺线管；负载为30Ω。能够得到的实验数据是：磁场均匀性可达75％，系统传输效率最高可达10％，可以传输867mW的能量，能够满足胃肠道机器人在待测体内运动的能量需求。

与现有技术相比，本装置采用具有双层反向绕制的螺旋式平板线圈对进行供能，同时在发射线圈外侧设置高磁导率的平板磁芯，在保证传输功率的同时提升了磁场均匀性以及系统的传输效率，保证胃肠道机器人在待测体内的运动，磁场均匀性较原先系统提升50％，传输效率提高42％，可实现机器人持续、稳定的运动。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。