[发明专利]供电线路电磁能量收集装置的设计方法

摘要

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。

主权项

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=μ0A2π×1Bx]]>式中：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的长度，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=NTiersφ]]>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：Tiersx=2NπBXμ0Aφ]]>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：Ueq=NωAμ0a22π×ln(b+d+c+2NπBXμ0Aφ2)(d+c+2NπBXμ0Aφ2-d)c(b+c+2NπBXμ0Aφ2)]]>线圈内阻R1的计算公式为：R1=4ρN×(a+b+22NπBXμ0Aφ2)π·φ2]]>则不同负载对应的输出功率为：Pout=(NωAμ0a)2φ4R28[4ρN×(a+b+22NπBXμ0Aφ2)+πR2φ2]×ln2(b+d+c+2NπBXμ0Aφ2)(d+c+2NπBXμ0Aφ2-d)c(b+c+2NπBXμ0Aφ2)]]>式中：Ueq为等效电压，Ueq的单位为V，ω为交流电的角频率，ω的单位为rad/s，a为磁导体边长，a的单位为m，c为磁导体近边与通电导线的距离，c的单位为m，d为两个导线之间的距离，d的单位为m，x1为磁导体远边与通电导线的距离，x1的单位为m，Pout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，ρ的单位为Ωm；(4)根据供电负载的不同，设定负载电阻为R2，作出输出功率与线径的曲线图，选取输出功率Pout最大值处对应的线径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≈198696×L]]>其中C为线圈中的电容，C的单位为F，L为线圈的电感，L的单位为H。