CN106158351A - 供电线路电磁能量收集装置的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种供电线路电磁能量收集装置的设计方法，实现步骤如下：确定线圈的长、宽、高及其在空间电磁场中的最优摆放位置和绕制方式；设定线圈匝数相同，绕制方式相同，但线径可变的线圈；计算不同线径下线圈中的等效电压值和线圈内阻，进而计算不同负载时的输出功率；将对应某一负载时，输出功率最大值对应的线径作为最优线径；按照最优线径绕制线圈的电感计算串联电容的电容值；最终完成供电线路电磁能量收集装置的设计方法。本发明能够根据设计目标，精确设计感应线圈在空间电磁场中的位置和结构参数，从而提高对空间电磁场电能的吸收效率。

Description

供电线路电磁能量收集装置的设计方法

技术领域

本发明属于电磁学技术领域，具体涉及一种供电线路电磁能量收集装置的设计方法。

背景技术

当今各种导线及用电器附近都存在强弱不同的电磁场，都有电能的存在，通过线圈的电磁感应可以将其转化成电能，如何将这些能量高效地吸收和利用是当前面临的技术难题。而感应线圈的合理设计可以大大提高电能转化效率，但传统的线圈产生的感应电压较小，不能有效地转化空间中的电磁能量，造成能量资源的大量浪费。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种供电线路电磁能量收集装置的设计方法，有效提高了空间电磁场电能吸收的效率。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：基于空间电磁场电能吸收的线圈设计方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)确定线圈的长、宽、高及其在空间电磁场中的最优摆放位置和绕制方式，如图1；

(2)设定匝数相同绕制方式相同，线径不同的线圈；

(3)计算不同线径下线圈中的等效电压值和线圈内阻，计算不同负载时的输出功率；

(4)优化问题，寻找最优参数集合；

(5)按照最优线径绕制线圈的电感计算串联电容的电容值。

与现有线圈设计方法相比，本发明的有益结果是通过这种对线圈的摆放位置和绕制方式，以及线径和外电路的设计方式，极大地提高了对电磁能的吸收效率，对于发展非传统线圈结构有很大的优势。为高效利用能量奠定了基础，具有一定的工程意义。

附图说明

图1为线圈在本发明叙述的摆放位置及绕制方式图；

图2为线圈最优摆放方式的示意图；

图3为磁感应强度和两根通电导线间的距离的关系图；

图4为图2最优摆放方式下得到的等效电压与两通电导线间距离关系图；

图5为两通电导线间的磁通量和两通电导线间距离的关系图；

图6为导线电阻估计值和高度与线圈层数(Tiers)的关系图；

图7为输出功率与线径的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步说明。

如图1所示，供电线路电磁能量收集装置的设计方法，包括以下具体实施步骤：

(1)确定线圈在空间电磁场中的最优摆放位置和绕制方式：

通电导线的火线和零线平行放置，所述能量收集装置放置在通电导线的火线和零线所组成平面的中间，且通电导线的火线和零线所组成平面与能量收集装置的顶部和底部距离相等，电磁能量收集装置中硅钢片叠加的方向平行于两根通电导线组成平面，且叠加方向与两根通电导线方向垂直，硅钢片所在平面与两通电导线构成的平面垂直，电磁能量收集装置中线圈导线围绕叠加的硅钢片按顺序由硅钢片的一端向另一端往复绕制，其绕制方向与两根通电导线所在平面平行，示意图如图2所示。

磁感应强度B小于等于B_x时(本发明中取B_x＝2×10^-5T)，两通电导线间产生的等效电压较小，忽略不计。虽然感应线圈随着两通电导线间距离的减小，磁感应强度增大如图3，但其线圈所包围的磁通量变化率减少，等效电压实际是减小如图4所示关系，本专利中根据实际工程需要，选取在B_x大于等于2×10^-5T内，使线圈包围最大磁通量，两通电导线间的磁通量和两通电导线间距离的关系如图5所示，可得在考虑体积尽量小的情况下，线圈包围最大磁通变化量时，线圈垂直于通电导线方向的两边长度b为：

根据磁感应强度公式：

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}Acos\mathrm{\ω}t}{2\mathrm{\π}r}---\left(1\right)$

其中电流取有效值代入得:

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{2\sqrt{2}\mathrm{\π}r}---\left(2\right)$

根据本专利中磁感应强度和两根通电导线间距离关系图3得分析可知：

$r=\frac{b}{2}---\left(3\right)$

将(3)带入(2)得到：

$b=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\sqrt{2}\mathrm{\π}}\×\frac{1}{B_x}---\left(4\right)$

式中：ω为交流电的角频率(rad/s),t为时间变化(s),r为通电导线到线圈上一点的距离，μ₀为真空中的磁导率(H/m)，b为线圈垂直于通电导线方向长度(m)，A为电流幅值(A)。根据上式可获得供电线路通过不同电流幅值A时对应的线圈垂直于通电导线方向长度b。

(2)设定匝数为N匝，线圈导线直径(线径)为φ米，绕制方式为紧密排列。本专利中N取值为1000，线圈平行于通电导线方向a的长度，理论上a的值越大越好，但考虑其实际中的应用和对所设计线圈体积以及质量的要求故本专利中a取值为10cm。

本专利中设线圈层数Tiers为Tiersx时，满足线圈高度h和层数的对应关系，如图6：

根据线圈高度公式：

$h=\frac{N}{T_{iers}}\mathrm{\φ}---\left(5\right)$

本专利中线圈高度h等于线圈垂直于通电导线方向长度b，得到公式：

$T_{iers}=\frac{N}{b}\mathrm{\φ}---\left(6\right)$

化简得：

$T_{iersx}=\frac{\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}\mathrm{\φ}---\left(7\right)$

根据上式可获得供电线路通过不同电流幅值A时对应的线圈层数Tiers。

(3)计算不同参数设定下，线圈中的等效电压为式(8)，从而推导出输出功率(10)：

$U_{eq}=\frac{{\mathrm{N\ωA\μ}}_{0}a}{2\sqrt{2}\mathrm{\π}}\×ln\frac{(b+d+c+\frac{\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2)(d+c+\frac{\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2-d)}{c(b+c+\frac{\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2)}---\left(8\right)$

其中线圈内阻R₁为：

$\left\{\begin{array}{c}l=N\×(a+b+\frac{2\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2)\\ S=\frac{\mathrm{\π}\×{\mathrm{\φ}}^2}{4}\\ R_1=\frac{\mathrm{\ρ}\×l}{S}\end{array}\right.$

得到：

$R_1=\frac{4\mathrm{\ρ}N\×(a+b+\frac{2\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2)}{\mathrm{\π}\·{\mathrm{\φ}}^2}---\left(9\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=d+c+\frac{\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2\\ P_{out}=\frac{U_{eq}^2{R}_2}{{(R_1+R_2)}^2}\end{array}\right.$

最终得到：

$P_{out}=\frac{{\left({\mathrm{N\ωA\μ}}_{0}a\right)}^2{\mathrm{\φ}}^4{R}_2}{8\[4\mathrm{\ρ}N\×(a+b+\frac{2\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2)+{\mathrm{\πR}}_2{\mathrm{\φ}}^2\]}$

$\×{\ln }^2\frac{(b+d+c+\frac{\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2)(d+c+\frac{\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2-d)}{c(b+c+\frac{\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2)}---\left(10\right)$

式中：U_eq为等效电压(V)，ω为交流电的角频率(rad/s)，a为磁导体边长(平行于导线)(m)，c为磁导体近边与通电导线的距离(m)，d两个导线之间的距离(m)，x₁为磁导体远边与通电导线的距离(m)，P_out为输出功率，R₁和R₂分别为线圈内阻和负载电阻，ρ为导线电阻率(Ωm)。c和x₁由线径决定。

(4)优化问题，寻找最优参数集合：

通过上述的公式推导得到最终的公式(10)所示，输出功率Pout是线径φ的函数。通过输出功率与线径的曲线图7，选取输出功率Pout最大值处，线径φ对应的值，此时对应的φ为线圈的最优线径。

(5)规定线圈中电容的容值：

估测铜线圈的电感L，选择能够与线圈产生谐振的电容C与之并联；谐振产生的物理原理如公式(11)所示：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{LC}}\left(Hz\right)---\left(11\right)$

由此推出满足条件的电容C的值应为方程(12)所示：

$C=\frac{1}{4{\mathrm{\π}}^2{f}^{2}L}\left(F\right)---\left(12\right)$

在交流频率f＝50Hz的前提下，简化为方程(13):

$C\≈\frac{1}{98696\×L}\left(F\right)---\left(13\right)$

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (1)

1.供电线路电磁能量收集装置的设计方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)通电导线的火线和零线平行放置，电磁能量收集装置放置在通电导线的火线和零线所组成平面的中间，并且通电导线的火线和零线所组成的平面与电磁能量收集装置的顶部和底部距离相等，电磁能量收集装置中硅钢片放置在线圈中间的空隙，硅钢片的叠加方向平行于两根通电导线组成平面，并且该硅钢片的叠加方向与两根通电导线方向垂直，硅钢片所在平面与两通电导线构成的平面垂直，线圈导线围绕叠加的硅钢片按顺序由硅钢片的一端向另一端往复绕制，其绕制方向与两根通电导线所在平面平行，磁感应强度B不大于设定值Bx＝2×10^-5T时，由于两通电导线间产生的等效电压较小，忽略不计，得到在考虑线圈体积尽量小的情况下，线圈包围最大磁通变化量时，线圈垂直于通电导线方向的两边长度为b，根据磁感应强度和两根通电导线间距离关系分析可知：

$b=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\sqrt{2}\mathrm{\π}}\×\frac{1}{B_x}$

式中：μ₀为真空中的磁导率(H/m)，b为线圈垂直于通电导线方向的长度(m)，A为电流幅值(A)，根据上式可获得供电线路通过不同电流A幅值时对应的线圈垂直于通电导线方向长度b；

(2)设定匝数为N匝，线圈导线直径(线径)为φm，绕制方式为紧密排列，考虑体积和质量因素，设定N取值为1000匝，线圈平行于通电导线方向长度a取值为10cm，设线圈层数Tiers为Tiersx时，满足线圈高度h和层数的对应关系可得：

$h=\frac{N}{T_{iers}}\mathrm{\φ}$

线圈高度h等于线圈垂直于通电导线方向长度b，得到公式：

$T_{iersx}=\frac{\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}\mathrm{\φ}$

根据上式获得供电线路通过不同电流幅值A时对应的线圈层数Tiers；

(3)计算不同线径下线圈中的等效电压值和线圈内阻，进而计算不同负载时的输出功率，计算等效电压值公式为：

$U_{eq}=\frac{{\mathrm{N\ωA\μ}}_{0}a}{2\sqrt{2}\mathrm{\π}}\×ln\frac{(b+d+c+\frac{\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2)(d+c+\frac{\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2-d)}{c(b+c+\frac{\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2)}$

线圈内阻R1的计算公式为：

$R_1=\frac{4\mathrm{\ρ}N\×(a+b+\frac{2\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2)}{\mathrm{\π}\·{\mathrm{\φ}}^2}$

则不同负载对应的输出功率为：

$\begin{array}{c}{P}_{out}=\frac{{\left({\mathrm{N\ωA\μ}}_{0}a\right)}^2{\mathrm{\φ}}^4{R}_2}{8\[4\mathrm{\ρ}N\×\left(a+b+\frac{2\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2\right)+{\mathrm{\πR}}_2{\mathrm{\φ}}^2\]}\\ \×{\ln }^2\frac{(b+d+c+\frac{\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2)(d+c+\frac{\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2-d)}{c(b+c+\frac{\sqrt{2}{\mathrm{N\πB}}_X}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}{\mathrm{\φ}}^2)}\end{array}$

式中：U_eq为等效电压(V)，ω为交流电的角频率(rad/s)，a为磁导体边长(m)，c为磁导体近边与通电导线的距离(m)，d两个导线之间的距离(m)，x₁为磁导体远边与通电导线的距离(m)，P_out为输出功率，R₁和R₂分别为线圈内阻和负载电阻，ρ为导线电阻率(Ωm)；

(4)根据供电负载的不同，设定负载为R₂，作出输出功率与线径的曲线图，选取输出功率P_out最大值处对应的线径值φ作为线圈的最优线径；

(5)确定相应线圈中的容值，在交流电频率f＝50Hz下，电容值计算如下：

$C\≈\frac{1}{98696\×L}\left(F\right)$

其中C为线圈中的电容(F)，L为线圈的电感(H)。