CN219918510U - 一种基于可调式磁芯的磁场取能装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于磁场取能技术领域，具体涉及一种基于可调式磁芯的磁场取能装置，该装置包括可调式磁芯和取能线圈，取能线圈外接取能电路。其中，所述可调式磁芯为由若干小长方体磁芯组成大长方体磁芯，相邻两个小长方体磁芯之间能够相对上下移动，将可调式磁芯整体由大长方体磁芯调节成半弧状磁芯；取能线圈套设在所有的小长方体磁芯外部，且能跟随可调式磁芯改变形状。该装置结构设计简单、易于制作、取能效果好、稳定性高。通过提出的非闭合可调式磁芯结构，磁芯形状可调，更能够贴合电缆的外形尺寸，一定程度上解决了不同尺寸电缆感应取能兼容性问题，提高了装置取能效率的同时也使得适用性大大提升。
Description
技术领域
本实用新型属于磁场取能技术领域，特别是涉及一种基于开放式可调磁芯取能线圈磁场取能装置。
背景技术
磁场作为空间中广泛存在的物质，对其有效地利用一直是个热门话题。通过磁场取能技术设计的电源是可再生且可靠的，不需要人为干预。目前，智能电网的快速发展对负载装置的要求也越来越苛刻，这也一定程度上推动了环境取能技术和自取能装置的研究。在埋设有电力电缆的特殊环境下，周围的交变磁场相较于空气中更是大得多；通过取能线圈在变化磁场中产生感应电动势的电磁感应原理，实现磁场能量到电场能量的转换，可将电力电缆周围磁场利用，为后续负载供电。在此能量转换过程中，需要设计合理的取能线圈结构，最大程度提高能量捕获效率，才能通过电源管理电路达到稳定的能量供应。
目前根据取能线圈结构不同，可分为两种类型的磁场能量收集器。第一种是环绕式能量收集器，环绕式能量收集器通过闭合磁芯环绕在通流导线上，由于磁芯闭合，取能线圈聚磁能力强，取电的效率和可靠性高。目前，环绕式磁场能量收集器研究较为成熟，缺陷也愈发突出。首先，取能线圈体积大质量也大，这在现代电子设备趋向于小型化、集成化的今天越来越不适用。其次，若采用环绕式磁芯，当电力线中交变电流小时，较弱的交变磁场难以获得足够的能量给予后续电路，负载难以工作甚至停止工作；当电力线中交变电流大时磁芯容易饱和，在磁芯深度饱和时，线圈感应产生的电压波形畸变，产生脉冲信号，对电能管理电路以及后续负载设备造成影响，长期下去会造成线圈温度过高甚至会烧坏磁芯以及后级电路，造成不可逆的损坏。为了提高取能装置的适用性，第二种类型的磁场能量收集器被提出并研究。此类能量收集器具有开放式磁芯，由于采用了开放式磁芯，其取能线圈存在非闭合磁路，磁芯不会饱和，再通过选取磁导率高的材料来提升聚磁能力，提高取能效率。此外，由于受到取能环境的约束较小，可以设计小体积的取能装置，以达到安装维护方便、适用范围广的目的。例如公开号为CN114865802A的发明专利申请，其公开了一种非闭合式磁芯的感应取电装置，采用的是直线型磁芯线圈组件和直角形磁芯线圈组件的结构。
开放式磁芯具有的广泛适用性使其具备很大的研究价值，但由于其磁芯非闭合，磁导率大大降低，取能效率大幅下降。针对取能效率低的问题，许多学者提出增大磁芯体积或者线圈匝数的方式来提高输出，其弊端是装置轻便性上带来了挑战。因此如何在提高装置磁场能量捕获效率的同时减小装置体积对开放式磁场能量收集器的研究具有重要意义。
实用新型内容
本实用新型提供一种利用电磁感应原理通过可调式磁芯感应环境周围磁场并利用线圈输出电能的取能装置。该取能装置具有成本低、体积小、稳定性高、取能效果好等优点，弥补了以往取能装置复杂、取能效率低等问题。
本实用新型是通过以下技术方案来实现的。
一种基于可调式磁芯的磁场取能装置，该装置包括可调式磁芯和取能线圈，取能线圈外接取能电路。其中，所述可调式磁芯为由若干小长方体磁芯组成大长方体磁芯，相邻两个小长方体磁芯之间能够相对上下移动，将可调式磁芯整体由大长方体磁芯调节成半弧状磁芯；取能线圈套设在所有的小长方体磁芯外部，且能跟随可调式磁芯改变形状。
进一步地，所有小长方体磁芯的尺寸相同，相邻两个小长方体磁芯至少一部分紧密贴合在一起。
进一步地，所述小长方体磁芯的数量为单数(正奇数)。
更进一步地，所述小长方体磁芯的数量为15个。
进一步地，所述小长方体磁芯的材质为坡莫合金软磁材料、纳米晶材料或铁氧体材料。
进一步地，所述取能线圈材质为铜或铝。
本实用新型技术方案带来的有益效果：
本实用新型提出了一种基于可调式磁芯的磁场取能装置，在开放式磁芯的基础上提出一种可调式磁芯，利用电磁感应原理，将环境中的磁场能转化为电能输出。整个过程通过感应取电的方式完成了电缆周围环境中磁场能量的获取，实现了取能效率的提升。其结构设计简单、易于制作、取能效果好、稳定性高。通过提出的非闭合可调式磁芯结构，磁芯形状可调，更能够贴合电缆的外形尺寸，一定程度上解决了不同尺寸电缆感应取能兼容性问题，提高了装置取能效率的同时也使得适用性大大提升。且采用本实用新型的可调式磁芯结构，在保证了取能效率的同时，能够减小磁场取能装置的体积，磁芯可拆卸调整，安装维护方便、适用范围广。
附图说明
图1为本实用新型实施例中可调式磁芯的结构变化示意图。
图2为本实用新型实施例中磁场取能装置的结构示意图。
图3为本实用新型实施例中磁场取能装置的使用状态图。
图中：1-可调式磁芯，2-取能线圈，3-电缆。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型并不限于下面公开的具体实施例的限制。
本实用新型提供一种基于可调式磁芯的磁场取能装置，该装置包括可调式磁芯1和取能线圈2，取能线圈2外接取能电路。其中，所述可调式磁芯1由若干紧密贴合在一起的小长方体磁芯组成，相邻两个小长方体磁芯之间能够相对上下移动，将可调式磁芯1整体由大长方体状磁芯调节成半弧状磁芯；取能线圈2套设在所有的小长方体磁芯外部，将小长方体磁芯固定住，且取能线圈2能跟随可调式磁芯1改变形状。
本实用新型提出了一种磁场取能装置，以软磁材料为核心制作以多个小长方体磁芯组成初始状态为大长方体状磁芯的可调式磁芯1，通过设计半弧状结构来贴合电缆3，达到高效取能。其磁芯设计结构如图1所示，磁芯为一大长方体磁芯演化而来，其中，本实施例中，磁芯材料为相对磁导率100000的坡莫合金软磁材料，尺寸为150mm×50mm×5mm。通过仿真计算将其合理的等分为15个小长方体磁芯，即每个小长方体磁芯的长×宽×高尺寸为10mm×50mm×5mm，根据所处电缆尺寸环境不同可调整磁芯为弧状以贴合电缆。图2为取能线圈结构示意图，其中，可调式磁芯1由上述15个小长方体磁芯构成，主要作用为增大线圈内磁通密度，从而增加磁感应强度，提高取能效率；取能线圈2的材料可以为铜，也可以为铝，本实施例中采用铜制漆包线，取能线圈2的线径为0.5mm，线圈匝数为4500匝，包裹在磁芯上，作用为将磁场能转化为电能输出。本实施例中的电缆3为单芯交联聚乙烯电缆，电压等级在110kV及其以上，线径根据应用场景不同可对应不同尺寸，图以120mm直径电缆为例，其主要作用为取能装置提供高强度50Hz交流磁场环境，方便装置取能。在其他实施例中，所述磁芯还可以由纳米晶或铁氧体材料制成。
原理介绍
取能方式：将高压电力电缆产生的交流磁场能转化为交流电能输出。取能装置如图3所示直接放置在电缆外表面，高压电缆工作时电缆内部铜芯流过50Hz交流电，交流电产生的磁场经过电缆屏蔽层、绝缘层、保护层衰减后，电缆周围环境存在较弱磁场且场强随着距离铜芯间隔增加而衰弱。本实施例中的取能装置通过改变可调式磁芯的弧度，从而改变可调式磁芯与电缆的贴合度，减少取能装置与电缆间的间隙，增大线圈内磁通密度。
将电缆拟作直导线，取能线圈与电缆接触表面上任意一点记作点P。对于处在空间中的无限长直导线，在任意一点P处磁感应强度大小可进一步表示为：
其中，B0为点P处磁感应强度，D为P点到导线的垂直距离，I为载流导线的电流，μ0为磁芯的真空磁导率。
磁场能量采集是基于法拉第电磁感应定律实现的，根据定理可知在交变磁场中，空心线圈感应电压U表达式为：
U＝NB0Sω (2)
其中，N为线圈匝数；S为线圈横截面积；ω为磁场角速度。
当磁场取能装置的取能线圈环绕在如图1所示的开放式可调式磁芯上时，根据磁芯所在的磁环回路占比较小，气隙占比大，此时磁芯的磁导率用有效磁导率μe表示，则开放式可调式磁芯磁感应强度B可表示为：
B＝μH＝μ0μeH＝μeB0 (3)
其中μ为开放式可调式磁芯磁导率；H为开放式可调式磁芯磁场强度。
开放式磁芯线圈的感应电压U1为：
根据电磁感应原理可知，减少取能装置与电缆间的间隙能够增加线圈输出效率。由于电缆周围磁场随距离衰弱明显，通过设计可调磁芯，根据电缆尺寸不同，贴合电缆表面，尽可能减少取能装置与电缆间隔。本实施例通过实验分别对比在电缆直径为105mm、120mm和130mm条件下，现有技术(CN114865802A)的直角形可抽动磁芯线圈和本实用新型基于可调式磁芯的磁场取能装置的线圈的输出效果，实验结果如表1所示，可知，本实用新型的基于可调式磁芯的磁场取能装置的功率输出分别提升了5.1％、15.7％和19.8％。相比于现有的圆柱形磁芯会加大各个磁芯间间隙，带来负面输出效果，本实用新型采用的等分小长方体磁芯使得各磁芯间间隙更小、线圈包裹更加方便，实用性强，进一步提升了磁场能量收集效率。
表1不同电缆环境下各取能线圈输出表
在本实用新型中，为进一步提高磁场能量的收集效率，与传统开放式磁芯线圈取能装置相比，本实用新型通过分裂磁芯的方式使得取能装置最大程度贴合电缆表面，减小取能装置与电缆的间距，极大提高了装置取能效率。通过设计可调式磁芯，线圈包裹在磁芯上，装置整体具有结构简单、易于制作的特点，同时通过改变各个小磁芯间的落差(即高度差)，使可调式磁芯贴合电缆表面，提高输出功率，在一定程度上可减小装置体积，适宜大规模使用(需要注意的是，相邻间磁芯位移不可大到无法衔接)。
本实用新型提出的一种磁场取能装置设计简单、易于制作、取能效果好、稳定性高。通过提出的非闭合可调式磁芯结构，一定程度上解决了不同尺寸电缆感应取能兼容性问题，提高了装置取能效率的同时也使得适用性大大提升。在开放式磁芯的基础上提出一种可调式磁芯，利用电磁感应原理，将环境中的磁场能转化为电能输出。整个过程通过感应取电的方式完成了电缆周围环境中磁场能量的获取，实现了取能效率的提升。
Claims (7)
1.一种基于可调式磁芯的磁场取能装置，包括可调式磁芯和取能线圈，取能线圈外接取能电路，其特征在于，所述可调式磁芯包括若干小长方体磁芯，相邻两个小长方体磁芯之间能够相对上下移动；取能线圈套设在所有的小长方体磁芯外部，且能跟随可调式磁芯改变形状。
2.根据权利要求1所述的基于可调式磁芯的磁场取能装置，其特征在于，可调式磁芯的所有小长方体磁芯尺寸相同，相邻两个小长方体磁芯至少一部分紧密贴合在一起。
3.根据权利要求1所述的基于可调式磁芯的磁场取能装置，其特征在于，所述小长方体磁芯的数量为单数。
4.根据权利要求3所述的基于可调式磁芯的磁场取能装置，其特征在于，所述小长方体磁芯的数量为15个。
5.根据权利要求1所述的基于可调式磁芯的磁场取能装置，其特征在于，所述小长方体磁芯的材质为坡莫合金软磁材料、纳米晶材料或铁氧体材料。
6.根据权利要求5所述的基于可调式磁芯的磁场取能装置，其特征在于，所述小长方体磁芯的材质为相对磁导率为100000的坡莫合金软磁材料。
7.根据权利要求1所述的基于可调式磁芯的磁场取能装置，其特征在于，所述取能线圈材质为铜或铝。
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