[发明专利]供电线路电磁能量收集装置的设计方法

说明书

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(T_iers)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：

其中电流取有效值代入得:

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：

将(3)带入(2)得到：

式中：ω为交流电的角频率，ω的单位为rad/s，t为时间变化，t的单位为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，μ₀的单位为H/m，b为线圈垂直于通电导线方向长度，b的单位为m，A为电流幅值，A的单位为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。