CN112560228B - 一种磁芯分裂式磁场能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁芯分裂式磁场能量收集装置，属于独立式环境能量收集设计领域。以法拉第电磁感应定律为基础，在独立式磁场能量收集装置设计过程中以最大提高输出功率密度为目标，确定磁场收集装置形状与输出功率密度的关系；之后根据磁芯等效分析，确定第一步圆柱体优化为分裂式的磁场能量收集方式，并得到有效磁导率表达式，分析其准确性；由于第一步优化后新形状可移动的优点，对磁场能量收集装置的分裂距离进行第二步优化，磁芯两端分离相同距离提高输出；最后考虑到收集器结构稳定性确定80mm分裂式磁芯为最优形状。仿真中优化实现了输出功率变为原来的4.05倍，功率密度变为原来的6.07倍。

Description

一种磁芯分裂式磁场能量收集装置

技术领域

本发明提出了一种磁芯分裂式磁场能量收集装置，属于独立式环境能量收集设计领域。

背景技术

随着超低功耗无线传感器的开发并应用，对磁场能量采集的研究也随之展开，这种采集方式主要对交流输电线附近的传感器供电。磁场能量采集技术主要包括两种：环绕式和独立式。在最开始的研究过程中大都依靠环绕式电磁感应收集方法，将采集器安装在线路上采集交流电周围变化的磁场。

但是相应的也存在很大的局限性，由于环绕式采集器必须安装在电力线上，对于架空电力线和地下电缆而言这种设计很难安装，拆卸起来也很复杂。所以之后研究人员们逐渐将研究内容转移到独立式采集上。

独立式采集器由于远离电源线采集能量，因此具有移动方便、可随意更换的优点。目前对独立式采集器的研究已经成为了广大学者的热门课题。无论是对采集器线圈缠绕方式分析还是采集器后续管理电路研究方面都取得了许多重要的结论，供给研究人员参考。除此之外，还针对独立式采集装置内部磁芯的设计，引入有效磁导率概念，设计时根据有效磁导率对应输出功率密度进行优化，并对优化后的形状进行仿真和理论分析。这种优化分析后得到的采集器比未经优化的圆柱体采集器输出功率及功率密度更高，因此磁芯优化是独立式磁场采集器优化的一种重要方法。

发明内容

针对现有的独立式磁芯结构，本发明提供一种新的磁芯分裂式磁场能量收集装置。首先在原本磁芯的基础上分裂出六个细磁芯，然后基于分裂式磁芯移动灵活的特性在两端分离出相同的距离，实现输出功率及功率密度的共同提高。

本发明采取的技术方案是：

首先，对独立式磁场能采集器进行分析，得到磁场能量采集器内部电路图，进一步得到环境磁场与采集器电压输入输出关系。引入有效磁导率概念，对圆柱体磁芯的有效磁导率进行分析，得到有效磁导率与磁芯长径比的关系，有效磁导率随着磁芯长径比的增大而增大，因此确定其主要受磁芯形状影响。

然后，设计新的分裂式磁芯，利用六个大小相同的细磁芯代替原本的粗磁芯，实现磁芯分裂。推导分裂式磁芯等效模型，得到分裂式磁芯有效磁导率、开路电压、输出功率及功率密度表达式，利用Maxwell仿真与上述公式对比验证分析准确性。将分裂式磁芯与原圆柱体磁芯输出功率及功率密度进行对比，得到结论优化后输出功率降低，功率密度提升，其中功率密度提升率比输出功率降低率高，优化有价值。

其次，由于利用多个细磁芯代替粗磁芯，所以优化后的磁芯具有可移动能力，且通过仿真已知有效磁导率随着磁芯分离距离的增大而增大，所以设计第二步优化，在磁芯两端分离相同的距离，距离越长输出越大，实现磁芯体积不变的同时增大输出功率，进而提高功率密度，利用两步优化同时提高采集器输出功率密度。

最后根据磁芯本身结构稳定性选择最佳分离距离，得到最优形状的磁芯分裂式磁场能量收集器，两步优化实现输出功率和功率密度共同提高。

本发明的有益效果是：

(1)分裂式磁芯比圆柱体磁芯收集装置的输出功率大。

(2)分裂式磁芯比圆柱体磁芯收集装置的功率密度高。

(3)结构可移动，可以实现连续的利用自身改变输出大小。

(4)优化后磁芯体积缩小。

附图说明

图1是独立式磁场收集原理图。

图2是磁场能量收集等效电路图。

图3是闭合磁芯示意图。

图4是独立式磁芯内部退磁场示意图。

图5是圆柱体有效磁导率随相对磁导率变化曲线。

图6是分裂式磁芯第一步优化示意图。

图7是分裂式磁芯等效分析图。

图8是有效磁导率随分裂式磁芯变化Maxwell仿真图。

图9是分裂式磁芯有效磁导率计算与仿真对比图。

图10是分裂式磁芯与原磁芯功率及功率密度比值随磁芯变化图。

图11是分裂式磁芯第二步优化Maxwell仿真图。

图12是分裂式磁芯完整优化示意图。

图13(a)是分裂式磁芯输出功率随分离距离变化的曲线图。

图13(b)是分裂式磁芯功率密度随分离距离变化的曲线图。

具体实施方案

下面结合说明书附图和技术方案，对本发明具体实施方案作详细说明。

1.独立式磁场采集原理

独立式磁场收集原理如图1所示，如果一条直导线通过交变电流I，那么在导线周围将产生交变磁场B，处在变化磁场区域的收集器会在线圈两端产生感应电动势。

磁场能量收集器的等效电路模型如图2所示，包括感应电动势u₀、内部阻抗R_S、自感L_S、补偿电容C_S以及负载R_L。

根据法拉第电磁感应定律，得出下式，其中n为线圈匝数，B₀为环境磁感应瞬时值，S为线圈截面积，ω为磁场角速度。

u₀＝nB₀Sω (1)

在空气中B₀＝μ₀H,而在闭合铁芯中B＝μ₀μ_rH，所以带有闭合铁芯后开路电压表达式：

u₀＝nB₀Sωμ_r (2)

然而相对于闭合磁芯如图3所示，独立式磁芯长度占整个磁路比例很小。当气隙长度占磁路总长度的大部分时，磁阻很大。从而使磁芯两端出现自由磁极，进而产生退磁场。

退磁场示意图如图4所示，对于棒状磁芯，实际作用到磁芯上的合成磁场是外加磁场与退磁场的差。也就导致磁芯的相对磁导率不再适用，因此引入有效磁导率概念。

由于退磁场的影响，磁芯内正向的磁感应强度减小，需要减去退磁场H_d，线圈能够利用的磁感应大小B_coil与正向磁感应大小B_core关系如下所示：

因此原本计算公式(9)中的相对磁导率不再适用，取而代之的是用有效磁导率μ_e定义的新公式：

u₀＝nB₀Sωμ_e (4)

目前已知的是圆柱体的有效磁导率表达式：

N为磁芯的退磁因子，圆柱体的退磁因子表达式如下所示：

从式(6)中可以得出退磁因子的大小主要与长径比m有关，m等于圆柱体磁芯长度和直径的比值，长径比m越大，退磁因子N越小。

画出公式(5)对应曲线如图5所示，横坐标为磁芯固有相对磁导率，纵坐标为有效磁导率，不同曲线代表不同长径比。图中相对磁导率大小在1000以后几乎不影响有效磁导率的值，而软磁材料的相对磁导率大小都在数千，因此可以说有效磁导率主要受长径比m的影响。也就是说有效磁导率主要受磁芯形状影响，需要寻找更好的磁芯形状。

2.分裂式磁芯第一步优化设计

新设计的分裂式磁芯示意图如图6所示，利用六个长度相等的细磁芯代替原本单个粗磁芯。由于磁芯互相贴合，可以把分裂式磁芯整体等效为一个具有相同截面积的圆柱体磁芯，圆柱体磁芯优化为分裂式磁芯相当于在整体上减小了磁芯的截面积，提高了整体的功率密度。

由公式(4)可知独立式磁芯开路电压表达式，如果单个圆柱体磁芯半径比线圈半径小，那么改为如下公式所示，其中S_a代表现有磁芯的面积，而非线圈面积：

u₀＝nB₀ωS_aμ_e (7)

如果线圈内含有多个相同磁芯，磁芯数量为N时，公式如下所示：

u₀＝nB₀ω(N*S_a)μ_e (8)

分裂式磁芯最大输出功率P及功率密度D表达式如下所示：

其中R_L为负载电阻，V为磁芯的总体积。

对其中的有效磁导率μ_e进行分析，这里的有效磁导率μ_e由于磁芯互相贴合，需要利用等效后圆柱体磁芯的长径比进行计算。如图7所示，有效磁导率与等效后截面积为N*S_a的圆柱体磁芯相一致。

有效磁导率随分裂式磁芯变化Maxwell仿真如图8所示，图中有效磁导率随磁芯的增加逐渐减小。对有效磁导率进行公式计算和仿真结果对比，验证上述等效分析的准确性如图9所示，从图中可以得出结论分析无误，新的分裂式磁芯有效磁导率μ'_e表达式如下所示，其中μ_e通过上述转换得到：

根据有效磁导率计算值，分裂式磁芯与原磁芯功率及功率密度比值随磁芯变化而变化如图10所示。图中随着磁芯数量的增多分裂式磁芯输出功率逐渐增加，功率密度逐渐降低。为了保证在输出功率基本不变的前提下提高功率密度，最后选择六根分裂式磁芯作为最终形状，输出功率降低12％，功率密度提升32％。

3.分裂式磁芯第二步优化设计

分裂式磁芯具有移动方便的优点，可以连续性的改变输出大小。且可以由此对磁芯进行第二步优化。在第一步优化的基础上在两侧分离出相同的距离，根据仿真结果长度越长对应有效磁导率越长，进而提高输出功率及功率密度。对分裂式磁芯优化后的仿真如图11所示，图中随着分离磁芯的增多分裂式磁芯上的有效磁导率越来越高，说明新形状可以提高采集器的输出功率及功率密度，而且通过最后两个磁芯上颜色可以看出分离磁芯的顺序不影响输出效果。

通过上述分析，对磁芯形状进行两次优化后，得到的最优新型分裂式磁芯的设计如图12所示，在对称的两端分离出相同距离的两根磁芯，可以在保证系统稳定性的前提下达到最高的功率密度。

改变分裂式磁芯分裂距离l_d，通过Maxwell磁场仿真得到其对应有效磁导率，然后通过公式(9)分别计算其对应输出功率和功率密度。

仿真及计算结果如图13所示，可以看出随着分裂式磁芯分裂距离l_d的增加，无论输出功率还是功率密度都随之增大。最后根据磁芯本身结构稳定性选择分裂距离为80mm，得到最优分裂式磁场能量采集装置，实现输出功率和功率密度共同提高了355.6％。

在第一步优化中，六根分离的圆柱体磁芯组合在一起实现采集能量，在仿真计算中相比原形状可以减小体积并保持输出功率只降低12％，实现功率密度提高32％。第二步优化，在两边分离相同长度的两根磁芯，可以实现体积不变的前提下增大输出功率，进而实现功率密度提高了355.6％。两步优化整体实现了输出功率变为原来的4.05倍，功率密度变为原来的6.07倍。

Claims (1)

1.一种磁芯分裂式磁场能量收集装置，其特征在于，

(1)对独立式磁场能量采集器进行分析，得到磁场能量采集器内部电路图，进一步得到环境磁场与采集器电压输入输出关系；引入有效磁导率概念，对圆柱体磁芯的有效磁导率进行分析，得到有效磁导率与磁芯长径比的关系；

独立式磁场采集

如果一条直导线通过交变电流I，那么在导线周围将产生交变磁场B，处在变化磁场区域的收集器会在线圈两端产生感应电动势；根据法拉第电磁感应定律，得出下式：u₀＝nB₀Sω(1)

其中n为线圈匝数，B₀为环境磁感应瞬时值，S为线圈截面积，ω为磁场角速度，感应电动势u₀、内部阻抗R_S、自感L_S、补偿电容C_S以及负载R_L；

带有闭合铁芯后开路电压表达式：u₀＝nB₀Sωμ_r(2)

由于退磁场的影响，磁芯内正向的磁感应强度减小，需要减去退磁场H_d，线圈能够利用的磁感应大小B_coil与正向磁感应大小B_core关系如下所示：

有效磁导率μ_e定义的公式：u₀＝nB₀Sωμ_e(4)圆柱体的有效磁导率表达式：

N为磁芯的退磁因子，圆柱体的退磁因子表达式如下所示：

从式(6)中得出退磁因子的大小主要与长径比m有关，m等于圆柱体磁芯长度和直径的比值，长径比m越大，退磁因子N越小；

(2)设计新的分裂式磁芯，利用六个大小相同的细磁芯代替原本的粗磁芯，实现磁芯分裂；推导分裂式磁芯等效模型，得到分裂式磁芯有效磁导率、开路电压、输出功率及功率密度表达式，利用Maxwell仿真与公式对比验证分析准确性；将分裂式磁芯与原圆柱体磁芯输出功率及功率密度进行对比，得到结论优化后输出功率降低，功率密度提升，其中功率密度提升率比输出功率降低率高，优化有价值；

分裂式磁芯第一步优化

利用六个长度相等的细磁芯代替原本单个粗磁芯；由公式(4)可知独立式磁芯开路电压表达式，如果单个圆柱体磁芯半径比线圈半径小，那么改为如下公式所示，其中S_a代表现有磁芯的面积，而非线圈面积：

u₀＝nB₀ωS_aμ_e (7)

如果线圈内含有多个相同磁芯，磁芯数量为N时，公式如下所示：

u₀＝nB₀ω(N*S_a)μ_e (8)

分裂式磁芯最大输出功率P及功率密度D表达式如下所示：

其中R_L为负载电阻，V为磁芯的总体积；

对其中的有效磁导率μ_e进行分析，这里的有效磁导率μ_e由于磁芯互相贴合，需要利用等效后圆柱体磁芯的长径比进行计算；

新的分裂式磁芯有效磁导率μ'_e表达式如下所示，其中μ_e通过转换得到：

(3)设计第二步优化，在磁芯两端分离相同的距离，距离越长输出越大，实现磁芯体积不变的同时增大输出功率，进而提高功率密度，利用两步优化同时提高采集器输出功率密度；

分裂式磁芯第二步优化设计

通过上述分析，对磁芯形状进行两次优化后，得到的最优分裂式磁芯的设计，在对称的两端分离出相同距离的两根磁芯，在保证系统稳定性的前提下达到最高的功率密度；

改变分裂式磁芯分裂距离l_d，通过Maxwell磁场仿真得到其对应有效磁导率，然后通过公式(9)分别计算其对应输出功率和功率密度；

随着分裂式磁芯分裂距离l_d的增加，无论输出功率还是功率密度都随之增大；

(4)最后根据磁芯本身结构稳定性选择最佳分离距离，得到最优形状的磁芯分裂式磁场能量收集器，两步优化实现输出功率和功率密度共同提高。