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US6178353B1 Laminated magnet keeper for implant device

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US6178353B1 Laminated magnet keeper for implant device

摘要

  • 问题：植入式耳蜗刺激器（ICS）中，置于接收线圈中心的磁元件（永磁体或 keeper）在 WPT 工作期间处于交变磁通中，感应横向涡流并以 形式耗散功率，降低经皮功率传输效率；若植入端采用永磁体，MRI 主磁场还将使其退磁并产生成像伪影。
  • 方案：将植入端磁元件改为 keeper（磁性软材料，不被永久磁化），并对植入端 keeper 和外部端磁体分别施行层压（lamination）、分段（sectionalization）或颗粒化（particle-based）处理，各段/层之间插入介质胶层形成高电阻边界，阻断横向涡流回路，降低涡流幅值。
  • 效果：五段分段矩形磁体（FIG. 7）实测在 200 kHz 下使耦合线圈 Q 值由 22 升至 30，整体功率传输损耗降低约 20%。
  • 形态：20 项权利要求；双端结构（植入端 keeper＋外部端磁体）；实施例覆盖矩形五段磁体（FIG. 5/7）、柱形分段磁体（FIG. 6）、35 层层压 keeper（FIG. 8，硅钢或 Hiperco Alloy 50）、颗粒烧结磁体（FIG. 9，Accucore 材料）。

机理与方案

涡流损耗机理

植入端磁元件处于 WPT 线圈交变磁通中，变化磁通在导电磁元件内感应横向电动势，驱动涡流 。损耗功率为：

其中 为涡流幅值， 为涡流路径电阻。因 ，减小涡流幅值比单纯增大材料电阻更有效：将磁元件一分为二可将 大致减半，损耗降至约 1/4。专利的策略即通过高阻介质边界截断横向涡流回路使 最小化。

分段矩形磁体（FIG. 5A/5B、FIG. 7）

若干矩形磁块 60 沿磁极轴方向排列，以介质胶（示例：Master Bond MD207 环氧，形成绝缘边界层 62）粘合，每道胶界面阻断沿箭头 64 方向流动的横向涡流。FIG. 7 五段实施例中，每段截面约 0.070 × 0.070 in、长约 0.350 in；五段组装后整体约 0.070 × 0.350 × 0.352 in（约 0.002 in 为胶层总厚度）。

层压 keeper（FIG. 8）

植入端 keeper 70 由 35 层磁性薄片 72 以绝缘胶层压而成，整体约 0.350 × 0.355 × 0.070 in，单层厚约 0.010 in。材料为硅钢或 Hiperco Alloy 50（软磁合金，高饱和磁感应强度）。Keeper 提供低磁阻通路（维持外部磁体与植入端的吸合对准）但本身不携带剩磁，在 MRI 主磁场下不被退磁，产生的成像伪影亦小于永磁体。

柱形分段磁体（FIG. 6A/6B）

外部端首选柱形磁体，沿轴向切割为薄片 66，片间介质粘结；各片内可选地开楔形或窄槽切口 68 并填介质，进一步阻断近外径区域的周向涡流路径。亦可采用螺旋卷绕层压，但要求卷绕两端不形成导电闭合回路。

颗粒烧结磁体（FIG. 9A/9B）

磁性颗粒 82 烧结于介质基体 84 中（商品名 Accucore，Magnetics International, Burns Harbor, IN），颗粒间介质将各颗粒电学隔离，涡流路径被限制在单颗粒尺度，涡流幅值极低。烧结时施加外部磁场以对齐颗粒磁极方向。

效果与证据

定量实测数据：五段分段矩形磁体（FIG. 7，每段约 0.070 × 0.070 × 0.350 in）在 200 kHz 下使耦合线圈 Q 值由 22 升至 30，整体功率传输损耗降低约 20%；原文明确指出该结果 “somewhat dependent upon the load connected to the inductive coupled coils”，即受负载条件影响。测试为实验室台架实测，无仿真或有限元分析数据；层压 keeper（FIG. 8）及颗粒烧结磁体（FIG. 9）在本专利中未给出独立定量测试结果。

对我方产品的意义

本专利的分段/层压/颗粒磁元件方案直接对标我方 WPT 线圈与磁铁力学两条挑战：其在 kHz 量级以高阻介质边界截断横向涡流回路的机理与我方 WPT 工作频段吻合，Q 22→30、损耗 −20%（200 kHz 台架实测）可作为工程层面的定量对标基准；keeper 替代永磁体（磁性软材料、不被 MRI 场退磁）的双端设计思路，对我方磁铁在扫描状态下的 MRI 兼容性方案具有方法参考价值。

关联

关系图谱

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