非侵入式磁场取能系统的功率密度计算方法及提升方法技术方案

本发明专利技术涉及磁场取能技术领域，具体公开了一种非侵入式磁场取能系统的功率密度计算方法及提升方法，该功率密度计算方法分析并建立了基于H型磁芯的非侵入式磁场取能系统，并给出了该系统的功率密度计算方法，得到与H型磁芯的参数和取能线圈的参数息息相关的功率密度表达式，填补了现有系统模型的空白，为指导设计非侵入式磁场取能系统提供了理论支撑。该功率密度提升方法，基于非侵入式磁场取能系统的功率密度表达式，综合考虑了H型磁芯及取能线圈的参数对系统功率密度的影响，提出了设计线圈匝数、优化叠片厚度与磁柱长度、设计线圈线径的功率密度提升方法，使系统的功率密度处于较高水平，避免了基于仿真指导优化系统。避免了基于仿真指导优化系统。避免了基于仿真指导优化系统。

【技术实现步骤摘要】
非侵入式磁场取能系统的功率密度计算方法及提升方法


[0001]本专利技术涉及磁场取能
，尤其涉及一种非侵入式磁场取能系统的功率密度计算方法及提升方法。

技术介绍

[0002]母排是智能变电站的重要组成部分，承担着收集、分配和传输电能的关键功能。为了保证母排的可靠运行，需要对母排的温度、电压、电流等进行监测。无线传感器作为远程监控设备，在保证母排安全可靠运行方面发挥着不可替代的作用。然而，为传感器供电的电池的寿命有限，定期更换电池带来人力财力的损耗。因此，研究一种新型的传感器自供电方式迫在眉睫。
[0003]非侵入式磁场取能技术基于法拉第电磁感应定律，通过将通电导体所产生磁场的能量转换为电能，进而为传感器等受电设备供电。非侵入式磁场取能系统有体积小，结构简单，便于安装等优点，但现阶段对非侵入式磁场取能系统的研究处于基础阶段，鲜有文献对系统理论模型进行分析，无法从理论指导实际取能装置的设计，因此分析建立系统理论模型是目前非侵入式磁场取能技术的研究热点。同时非侵入式磁场取能系统的输出功率受磁芯体积制约，在小磁芯体积下存在输出功率较低的缺点，应用场景受限，因此如何提高系统功率密度对促进非侵入式磁场取能装置的应用至关重要。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供非侵入式磁场取能系统的功率密度计算方法及提升方法，解决的技术问题在于：如何计算针对母排的非侵入式磁场取能系统的功率密度以及如何通过设计磁芯与线圈参数提升非侵入式磁场取能系统的功率密度。
[0005]为解决以上技术问题，本专利技术一种提供非侵入式磁场取能系统的功率密度计算方法，所述非侵入式磁场取能系统包括原边侧、副边侧、电能变换模块及电阻为R
S
的负载，所述原边侧包括电流为I
B
、自感为L
B
的母排，所述副边侧包括自感为L
S
、内阻为R
S
、电流为I
S
的取能线圈以及被所述取能线圈缠绕、等效电阻为R
core
的H型磁芯，所述电能变换模块包括输入电压为V
O
的全桥整流器，所述负载的电压为V
D
，所述取能线圈与所述母排之间的互感为M；所述H型磁芯包括边长为d、长为l的磁柱以及分设在所述磁柱两端中心位置的边长均为b、厚度均为a的两个叠片，d＜b，所述取能线圈缠绕在所述磁柱上的高度为d
c
，对应的线圈匝数为N，所述取能线圈的线径和绝缘层厚度分别为d
w
、σ；所述功率密度计算方法包括步骤：
[0006]S1、将所述电能变换模块与所述负载共同等效为阻值为R
O
的等效负载，以及将所述H型磁芯等效为边长为d、长为l
eq
＝2a+b
‑
d+l的等效条形磁芯；
[0007]S2、计算所述取能线圈两端的感应电压U
S
：U
S
＝ωMI
B
，ω为母排电流I
B
的角频率；
[0008]S3、计算等效负载上的功率P
O
：其中A＝d2为所述
取能线圈的有效截面积，为所述取能线圈所在位置的磁感应强度，μ0为真空磁导率，λ为所述H型磁芯的中心到所述母排的垂直距离，μ
eff
为所述H型磁芯的有效磁导率，μ
eff
由磁芯相对磁导率μ
r
和l
eq
、d共同决定，N由l、d
c
、d
w
、d、σ共同决定，R
S
由线圈材料电阻率ρ和l、d
c
、d
w
、d、σ共同决定；
[0009]S4、计算所述非侵入式磁场取能系统的功率密度D
P
：D
P
＝P
O
/V，V＝2ab2+d2l表示所述H型磁芯的体积。
[0010]进一步地，在所述步骤S3中，μ
eff
具体表示为：
[0011][0012]D
M
为用于衡量退磁场强度的退磁系数，且D
M
由l
eq
、d共同决定。
[0013]进一步地，在所述步骤S3中，D
M
具体表示为：
[0014][0015]中间变量K
eq
＝2l
eq
/d，中间变量r
eq
＝[1
‑
(2/K
eq
)2]0.5
；
[0016]则μ
eff
具体表示为：
[0017][0018]进一步地，在所述步骤S3中，N具体表示为：
[0019][0020]进一步地，在所述步骤S3中，R
S
具体表示为：
[0021][0022]进一步地，在所述步骤S4中，D
P
具体表示为：
[0023][0024]中间变量α、β、ε、δ、γ、κ表示如下：
[0025][0026]本专利技术还提供一种非侵入式磁场取能系统的功率密度提升方法，通过联合优化所述取能线圈的高度d
c
、所述叠片的厚度a、所述磁柱的直径d与线圈线径d
w
以提升上述功率密度计算方法所计算的功率密度D
P
。
[0027]进一步地，联合优化线圈高度d
c
、叠片厚度a、磁柱的直径d与所述取能线圈的线径d
w
以提升权利要求5所计算的功率密度D
P
的具体步骤包括：
[0028]X1、根据实际需求确定功率密度D
P
的表达式中除d
c
、a、d、d
w
以外的其他参数，得到仅关于d
c
、a、d、d
w
的第一功率密度函数；
[0029]X2、设置a、d、d
w
均为定值，得到所述第一功率密度函数关于d
c
的第二功率密度函数，在d
c
的取值范围内，将所述第二功率密度函数取得最大值时的d
c
作为d
c
的最优取值，记为d
c
'；
[0030]X3、设置d
c
＝d
c
'且d
w
为定值，得到所述第一功率密度函数关于a、d的第三功率密度函数，在a、d各自的取值范围内，将所述第三功率密度函数取得最大值时的a、d作为a、d的最优取值，分别记为a'、d'；
[0031]X4、设置d
c
＝d
c
'、a＝a'、d＝d'，得到所述第一功率密度函数关于d
w
的第四功率密度函数，在d
w
的取值范围内，将所述第四功率密度函数取得最大值时的d
w
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.非侵入式磁场取能系统的功率密度计算方法，其特征在于，所述非侵入式磁场取能系统包括原边侧、副边侧、电能变换模块及电阻为R
S
的负载，所述原边侧包括电流为I
B
、自感为L
B
的母排，所述副边侧包括自感为L
S
、内阻为R
S
、电流为I
S
的取能线圈以及被所述取能线圈缠绕、等效电阻为R
core
的H型磁芯，所述电能变换模块包括输入电压为V
O
的全桥整流器，所述负载的电压为V
D
，所述取能线圈与所述母排之间的互感为M；所述H型磁芯包括边长为d、长为l的磁柱以及分设在所述磁柱两端中心位置的边长均为b、厚度均为a的两个叠片，d＜b，所述取能线圈缠绕在所述磁柱上的高度为d
c
，对应的线圈匝数为N，所述取能线圈的线径和绝缘层厚度分别为d
w
、σ；所述功率密度计算方法包括步骤：S1、将所述电能变换模块与所述负载共同等效为阻值为R
O
的等效负载，以及将所述H型磁芯等效为边长为d、长为l
eq
＝2a+b
‑
d+l的等效条形磁芯；S2、计算所述取能线圈两端的感应电压U
S
：U
S
＝ωMI
B
，ω为母排电流I
B
的角频率；S3、计算等效负载上的功率P
O
：其中A＝d2为所述取能线圈的有效截面积，为所述取能线圈所在位置的磁感应强度，μ0为真空磁导率，λ为所述H型磁芯的中心到所述母排的垂直距离，μ
eff
为所述H型磁芯的有效磁导率，μ
eff
由磁芯相对磁导率μr和l
eq
、d共同决定，N由l、d
c
、d
w
、d、σ共同决定，R
S
由线圈材料电阻率ρ和l、d
c
、d
w
、d、σ共同决定；S4、计算所述非侵入式磁场取能系统的功率密度D
P
：D
P
＝P
O
/V，V＝2ab2+d2l表示所述H型磁芯的体积。2.根据权利要求1所述的非侵入式磁场取能系统的功率密度计算方法，其特征在于，在所述步骤S3中，μ
eff
具体表示为：D
M
为用于衡量退磁场强度的退磁系数，且D
M
由l
eq
、d共同决定。3.根据权利要求2所述的非侵入式磁场取能系统的功率密度计算方法，其特征在于，在所述步骤S3中，D
M
具体表示为：中间变量K
eq
＝2l
eq
/d，中间变量r
eq
＝[1
‑
(2/K...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，罗海军，杨环宇，闫一骅，何正友，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：