可植入设备的无线能量传输的制作方法
【专利摘要】本文描述了用于无线功率传输的改进的配置。描述了用于可植入电子装置和设备的方法和设计。无线能量传输被用于消除刺穿皮肤以给可植入设备供电的电线和电力电缆。中继器谐振器用于提高源和设备谐振器之间的功率传输特性。
【专利说明】可植入设备的无线能量传输
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求下列美国专利申请的优先权，其中每个专利申请在此通过引用被全部并入:2011 年 6 月 6 曰提交的 U.S.13/154，131 ;2011 年 8 月 31 曰提交的 U.S.13/222,915 ；以及2011年9月14日提交的U.S.13/232，868。
[0003]下列美国专利申请也通过引用被全部并入:2010年5月28日提交的美国专利申请N0.12/789,611 ;2010年4月29日提交的美国专利申请N0.12/770，137 ;2009年4月29日提交的美国临时申请N0.61/173，747 ;2010年4月26日提交的美国申请N0.12/767,633 ；2009年4月24日提交的美国临时申请N0.61/172，633 ;2010年4月13日提交的美国申请N0.12/759, 047 ;2010年4月9日提交的美国申请N0.12/757, 716 ;2010年3月30日提交的美国申请N0.12/749，571 ；2009年12月16日提交的美国申请N0.12/639, 489 ；2009年12月28日提交的美国申请N0.12/647,705 ;以及2009年9月25日提交的美国申请N0.12/567，716 ;2008年9月27日提交的美国申请N0.61/100，721 ;2008年10月27日提交的美国申请N0.61/108，743 ;2009年I月26日提交的美国申请N0.61/147，386 ;2009年2月12日提交的美国申请N0.61/152,086 ;2009年5月15日提交的美国申请N0.61/178，508 ；2009年6月I日提交的美国申请N0.61/182,768 ;2008年12月9日提交的美国申请N0.61/121, 159 ;2009年I月7日提交的美国申请N0.61/142，977 ;2009年I月6日提交的美国申请N0.61/142，885 ;2009年I月6日提交的美国申请N0.61/142，796 ;2009年I月6日提交的美国申请N0.61/142，889 ;2009年I月6日提交的美国申请N0.61/142，880 ;2009年I月6日提交的美国申请N0.61/142，818 ;2009年I月6日提交的美国申请N0.61/142，887 ；2009年3月2日提交的美国申请N0.61/156，764 ；2009年I月7日提交的美国申请N0.61/143, 058 ;2009年3月26日提交的美国申请N0.61/163，695 ;2009年4月24日提交的美国申请N0.61/172，633 ;2009年4月14日提交的美国申请N0.61/169，240 ;2009年4月29日提交的美国申请N0.61/173，747 ;2010年3月10日提交的美国申请N0.12/721，118 ；2010年2月13日提交的美国申请N0.12/705, 582 ;2009年2月13日提交的美国临时申请N0.61/152，390 ；2010年6月4日提交的美国临时申请N0.61/351,492 ;以及2010年4月20日提交的美国临时申请N0.61/326，051。
【技术领域】
[0004]本公开涉及无线能量传输、用于实现这样的传输的方法、系统和装置、以及应用。【背景技术】
[0005]可使用如在共同拥有的于2010年9月23日作为美国专利公布号2010/0237709公开的且标题为 “RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER” 的美国专利申请N0.12/789,611和于2010年7月22日作为美国专利公布号2010/0181843公开的且标题为 “WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATOR APPLICATION” 的美国专利申请N0.12/722,050中详述的各种技术来无线地传输能量或功率，这些专利申请的内容如同在本文被完全阐述地一样被全部并入。现有技术的无线能量传输系统被各种因素(包括对用户安全的关心、低能量传输效率和对能量供应和吸收部件的限制性物理接近度/对准容限)限制。
[0006]例如机械循环支持(MCS)设备、心室辅助设备(VAD)、可植入心电复律器除颤器(ICD)等的可植入设备可能需要用于在延长的时间段内操作的外部能量源。在一些患者和情况中，可植入设备需要不变的或接近不变的操作，并具有需要到外部电源的连接的相当大的功率要求，需要经皮电缆或穿过患者的皮肤到外部电源的电缆，增加了感染的可能性并降低了患者舒适度。
[0007]因此存在对用于将能量输送到可植入设备而不需要直接电线连接的方法和设计。
【发明内容】
[0008]在各种实施例中，各种系统和过程使用耦合的谐振器提供无线能量传输。在一些实施例中，谐振器结构可能需要或受益于谐振器的部件的热管理。谐振器部件可能需要冷却来防止它们的温度超过临界温度。这样的实施例的特征是普遍的，并可应用于宽范围的谐振器，而不管本文讨论的特定例子如何。
[0009]在实施例中，磁谐振器可包括电感器和电容器的某种组合。额外的电路元件(例如电容器、电感器、电阻器、开关等)可插在磁谐振器和电源之间和/或磁谐振器和功率负载之间。在本公开中，包括谐振器的高Q电感回路的导电线圈也可被称为电感器和/或电感负载。电感负载当它无线地耦合(通过互感)到其它系统或外来物体时也可被称为电感器。在本公开中，除了电感负载以外的电路元件可被称为阻抗匹配网络或IMN的部分。应理解，被称为阻抗匹配网络的部分的元件中的全部、一些或没有一个可以是磁谐振器的部分。哪些元件是谐振器的部分以及哪些元件与谐振器分离将取决于特定的磁谐振器和无线能量传输系统设计。
[0010]在实施例中，本文所述的无线能量传输可用于将功率输送到可植入设备，而不需要通过皮肤布线。在实施例中，无线功率传输可用于周期性地或连续地给植入式可再充电电池、超级电容器或其它能量存储部件供电或再充电。
[0011]在实施例中，本文描述的无线能量传输使用可以在患者内部或外部的中继器谐振器来提高源和设备谐振器的范围和容许的偏置。
[0012]在实施例中，源和设备谐振器可通过调谐源和设备的元件来控制热的分布和能量耗散。
[0013]除非另外指示，本公开可互换地使用术语无线能量传输、无线功率传输、无线功率传送等。本领域技术人员将理解，各种系统架构可由在本申请中描述的宽范围的无线系统设计和功能支持。
[0014]在本文描述的无线能量传输系统中，功率可在至少两个谐振器之间无线地交换。谐振器可供应、接收、保持、传输和分配能量。无线功率的源可被称为源或供应器，而无线功率的接收器可被称为设备、接收器和功率负载。谐振器可以是源、设备或同时这两者，或可以以受控的方式从一种功能变化到另一功能。没有到功率供应器或功率消耗的有线连接的、被配置成保持或分配能量的谐振器可被称为中继器。
[0015]本发明的无线能量传输系统的谐振器能够在比谐振器本身的尺寸大的距离上传输功率。也就是说，如果谐振器尺寸以可围住谐振器结构的最小球体的半径为特征，则本发明的无线能量传输系统可在比谐振器的特征尺寸大的距离上传输功率。该系统能够在谐振器之间交换能量，其中谐振器具有不同的特征尺寸，且其中谐振器的电感元件具有不同的尺寸、不同的形状，由不同的材料组成，等等。
[0016]本发明的无线能量传输系统可被描述为具有耦合区、通电区域或体积，所有都通过能量可在彼此分离的谐振物体之间传输，它们可具有离彼此可变的距离，以及可相对于彼此移动的描述方式。在一些实施例中，能量可被传输所经过的区域或体积被称为有源场区域或体积。此外，无线能量传输系统可包括多于两个的谐振器，每个谐振器可耦合到电源、功率负载、两者，或不耦合到任何一个。
[0017]无线地供应的能量可用于给电气或电子设备供电，给电池再充电或给能量存储单元充电。多个设备可被同时充电或供电，或到多个设备的功率输送可以是序列化的，使得一个或多个设备在一段时间内接收功率，在这段时间之后，功率输送可被切换到其它设备。在各种实施例中，多个设备可同时、或以时间复用方式或以频率复用方式或以空间复用方式或以方位复用方式或以时间和频率和空间和方位复用的任何组合来与一个或多个其它设备共享来自一个或多个源的功率。多个设备可与彼此共享功率，而至少一个设备连续地、间歇地、周期性地、偶然地或暂时地被重新配置以作为无线电源工作。本领域中的普通技术人员将理解，存在各种方式来给可应用于本文描述的技术和应用的设备供电和/或充电。
[0018]本公开提到例如电容器、电感器、电阻器、二极管、变压器、开关等的某些单独的电路部件和元件；这些元件作为网络、拓扑、电路等的组合；以及具有内在特征的物体，例如具有在整个物体中分布(或与仅仅成团相反地部分地分布)的电容或电感的“自谐振”物体。本领域中的普通技术人员将理解，调节并控制电路或网络内的可变部件可以调节该电路或网络的性能，以及那些调节通常被描述为调谐、调节、匹配、校正等。可以单独地，或除了调节可调谐部件(例如电感器和电容器或电感器和电容器的组)以外，使用其它方法来调谐或调节无线功率传输系统的操作点。本领域中的技术人员将认识到，在本公开中讨论的特定拓扑可以用各种其它方式实现。
[0019]除非另外规定，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属的领域中的普通技术人员的通常理解相同的含义。在与通过引用在本文中提到或合并的公布、专利申请、专利和其它参考资料冲突的情况下，本说明书(包括定义)将控制。
[0020]上面描述的任何特征可单独地或组合地使用，而不偏离本公开的范围。本文公开的系统和方法的其它特征、目的和优点将根据下面详述的描述和附图变得清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是无线能量传输配置的系统方框图。
[0022]图2A-2E是简单的谐振器结构的示例性结构和示意图。
[0023]图3是具有单端放大器的无线源的方框图。
[0024]图4是具有差分放大器的无线源的方框图。
[0025]图5A和5B是感测电路的方框图。
[0026]图6A、6B和6C是无线源的方框图。
[0027]图7是示出占空比对放大器的参数的影响的曲线图。[0028]图8是具有开关放大器的无线电源的简化电路图。
[0029]图9示出无线电源的参数的变化的影响的曲线。
[0030]图10示出无线电源的参数的变化的影响的曲线。
[0031]图1lAUlB和IlC是示出无线电源的参数的变化的影响的曲线。
[0032]图12示出无线电源的参数的变化的影响的曲线。
[0033]图13是包括具有开关放大器的无线电源和无线功率设备的无线能量传输系统的简化电路图。
[0034]图14示出无线电源的参数的变化的影响的曲线。
[0035]图15是示出由于磁性材料的瓦片之间的不规则间隔而引起的可能的不均匀磁场分布的谐振器的图。
[0036]图16是具有在磁性材料块中的瓦片的布置的谐振器，该布置可减少磁性材料块中的热点。
[0037]图17A是具有包括较小的单独瓦片的磁性材料块的谐振器，而图17B和17C是具有用于热管理的额外的热传导材料条的谐振器。
[0038]图18是具有无线能量源和设备的外科手术机器人和医院用床的实施例。
[0039]图19是具有无线能量源和设备的外科手术机器人和医院用床的实施例。
[0040]图20A是具有无线能量传输谐振器的医药车。图20B是具有无线能量传输谐振器的计算机车。
[0041]图21A和21B是可植入设备的无线功率传输系统的方框图。
[0042]图22A、22B、22C和22D是描绘可植入设备的无线能量传输的源和设备配置的图。
【具体实施方式】
[0043]如上所述，本公开涉及使用耦合的电磁谐振器的无线能量传输。然而，这样的能量传输不限于电磁谐振器，且本文描述的无线能量传输系统是更普遍的，并可使用各种各样的谐振器和谐振物体来实现。
[0044]如本领域中的技术人员将认识到的，基于谐振器的功率传输的重要考虑因素包括谐振器效率和谐振器耦合。例如在2010年9月23日作为US 20100237709公开的且标题为“RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER”的美国专利申请 12/789，611 和在2010 年 7 月 22 日作为 US20100181843 公开的且标题为 “WIRELESS ENERGY TRANSFER FORREFRIGERATOR APPLICATION”的美国专利申请12/722,050中提供了这样的问题(例如耦合模式理论(CMT)、耦合系数和因子、品质因子(也被称为Q因子)和阻抗匹配)的广泛讨论，这两个专利申请通过引用被全部并入本文，好像在本文被充分阐述的一样。
[0045]谐振器可被定义为可将能量存储在至少两个不同的形式中且其中所存储的能量在这两个形式之间振荡的谐振结构。谐振结构将具有特定的振荡模式，具有谐振(模态)频率f和谐振(模态)场。角谐振频率ω可被定义为ω =2 Jif，谐振周期T可被定义为T=I/f=2 π /ω，且谐振波长λ可被定义为λ =c/f，其中c是相关的场波(对于电磁谐振器来说是光)的速度。在没有损耗机制、耦合机制或外部能量供应或消耗机制的情况下，由谐振器存储的能量的总量W将保持固定，但能量的形式将在谐振器所支持的这两种形式之间振荡，其中一种形式将在另一形式是最小的时是最大的，反之亦然。[0046]例如，谐振器可被构造成使得所存储的能量的两种形式是磁能和电能。此外，谐振器可被构造成使得电场所存储的电能主要被限制在结构内，而磁场所存储的磁能主要在围绕谐振器的区域中。换句话说，总的电能和磁能将是相等的，但它们的定位(localization)将是不同的。使用这样的结构，在至少两个结构之间的能量交换可由至少两个谐振器的谐振磁近场来传递。这些类型的谐振器可被称为磁谐振器。
[0047]在无线功率传输系统中使用的谐振器的重要参数是谐振器的品质因子或Q-因子或Q，其以能量衰减为特征并与谐振器的能量损耗成反比。它可被定义为Q=ω*W/P，其中P是在稳定状态下失去的时间平均的功率。也就是说，具有高Q的谐振器具有相对低的本征损失，并可在一段相对长的时间内存储能量。因为谐振器以其本征衰减率2gamma损失能量，其Q (也被称为其本征Q)由Q=ω/2gamma给出。品质因子也表示振荡周期T的数量，它将谐振器中的能量看成为衰减了 e_2n的倍数。注意，谐振器的品质因子或本征品质因子或Q是仅归因于本征损耗机制的。连接到或耦合到功率发生器g或负载1的谐振器的Q可被称为“有载品质因子”或“有载Q”。在没有旨在是能量传输系统的部分的外来物体存在的情况下谐振器的Q可被称为“扰动品质因子”或“扰动Q”。
[0048]通过谐振器的近场的任何部分耦合的谐振器可交互作用并交换能量。如果谐振器以实质上相同的谐振频率工作，则这个能量传输的效率可明显提高。作为例子而不是限制，假想具有Qs的源谐振器和具有Qd的设备谐振器。高Q无线能量传输系统可利用高Q的谐
振器。每个谐振器的Q可以是高的。谐振器Q的几何平均
【权利要求】
1.一种用于向植入患者内的设备供电的无线能量传输系统，包括: 高Q源谐振器，其具有第一谐振频率，所述源谐振器在所述患者外部，耦合到电源，并被配置成产生在基本上所述第一谐振频率下的振荡磁场， 高Q设备谐振器，其具有第二谐振频率，所述设备谐振器耦合到需要供应功率的可植入设备，所述设备谐振器在所述患者内部，并被配置成捕获所述源谐振器所产生的所述振荡磁场， 中继器谐振器； 其中，所述中继器谐振器被定位成改进在所述源谐振器和所述设备谐振器之间的能量传输。
2.如权利要求1所述的无线能量传输系统，其中，所述中继器谐振器在所述患者外部。
3.如权利要求2所述的无线能量传输系统，其中，所述中继器谐振器被集成到所述患者可穿戴的衣服中。
4.如权利要求1所述的无线能量传输系统，其中，所述中继器谐振器在所述患者内部。
5.如权利要求1所述的无线能量传输系统，还包括被定位成改进在所述源谐振器和所述设备谐振器之间的无线能量传输的至少一个额外的中继器谐振器。
6.如权利要求5所述的无线能量传输系统，其中，所述中继器谐振器被定位成提供在所述源谐振器的一定范围的位置上的在所述源谐振器和所述设备谐振器之间的基本上一致的能量传输。`
7.如权利要求1所述的无线能量传输系统，其中，所述中继器谐振器包括至少一个圈的Litz线。
8.如权利要求1所述的无线能量传输系统，其中，所述源谐振器和所述设备谐振器具有 Q>100。
9.一种用于向植入患者体内的设备供电的无线能量传输系统，包括: 高Q源谐振器，其具有第一谐振频率，所述源谐振器在所述患者外部，耦合到电源，并被配置成产生在基本上所述第一谐振频率下的振荡磁场， 高Q设备谐振器，其具有第二谐振频率，所述设备谐振器耦合到需要供应功率的可植入设备，所述设备谐振器在所述患者内部，并被配置成捕获所述源谐振器所产生的所述振荡磁场， 温度传感器，其被定位成测量所述设备谐振器的温度，以及 可调谐部件，其耦合到所述设备谐振器， 其中，所述可调谐部件被调节以响应于来自所述温度传感器的读数来改变所述设备谐振器的所述第一谐振频率。
10.如权利要求9所述的无线能量传输系统，其中，所述可调谐部件被调节以将所述第一谐振频率改变为远离所述第二谐振频率的较低频率。
11.如权利要求9所述的无线能量传输系统，其中，所述可调谐部件被调节以将所述第一谐振频率改变为远离所述第二谐振频率的较高频率。
12.如权利要求9所述的无线能量传输系统，其中，所述可调谐部件被调节以将所述设备谐振器的温度维持在50摄氏度之下。
13.如权利要求9所述的无线能量传输系统，其中，所述可调谐部件是电容器。
14.如权利要求9所述的无线能量传输系统，其中，所述可调谐部件是电感器。
15.如权利要求9所述的无线能量传输系统，其中，由所述源谐振器产生的所述振荡磁场的强度被调节以维持由所述设备谐振器捕获的功率的基本上一致的水平。
16.如权利要求15所述的无线能量传输系统，其中，通过改变所述源谐振器的驱动电压来调节由所述源谐振器产生的所述振荡磁场的强度。
17.如权利要求15所述的无线能量传输系统，其中，通过改变所述源谐振器的驱动电流来调节由所述源谐振器产生的所述振荡磁场的强度。
18.如权利要求9所述的无线能量传输系统，其中，所述源谐振器和所述设备谐振器具有 Q>100。
【文档编号】H02J17/00GK103733477SQ201280038109
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年5月31日 优先权日:2011年6月6日
【发明者】D·A·沙茨, M·P·凯斯勒, K·L·霍尔, S·J·加南 申请人:WiTricity公司