本發(fā)明屬于電磁學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種磁電自供能裝置的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：當(dāng)今各種導(dǎo)線及用電器附近都存在強(qiáng)弱不同的電磁場(chǎng)，都有電能的存在，通過(guò)線圈的電磁感應(yīng)可以將其轉(zhuǎn)化成電能，如何將這些能量高效地吸收和利用是當(dāng)前面臨的技術(shù)難題。而感應(yīng)線圈的合理設(shè)計(jì)可以大大提高電能轉(zhuǎn)化效率，但傳統(tǒng)的線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓較小，不能有效地轉(zhuǎn)化空間中的電磁能量，造成能量資源的大量浪費(fèi)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是提供了一種磁電自供能裝置的設(shè)計(jì)方法，有效提高了空間電磁場(chǎng)電能吸收的效率。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案，磁電自供能裝置的設(shè)計(jì)方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下：(1)確定線圈的直徑及其在空間電磁場(chǎng)中的最優(yōu)擺放位置和繞制方式，如圖1；(2)設(shè)定匝數(shù)相同繞制方式相同，線徑不同的線圈；(3)計(jì)算不同線徑下線圈中的等效電壓值和線圈內(nèi)阻，計(jì)算不同負(fù)載時(shí)的輸出功率；(4)優(yōu)化問(wèn)題，尋找最優(yōu)參數(shù)集合；(5)按照最優(yōu)線徑繞制線圈的電感計(jì)算串聯(lián)電容的電容值。與現(xiàn)有線圈設(shè)計(jì)方法相比，本發(fā)明的有益結(jié)果是通過(guò)這種對(duì)線圈的擺放位置和繞制方式，以及線徑的設(shè)計(jì)方式，極大地提高了對(duì)電磁能的吸收效率，對(duì)于發(fā)展非傳統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)勢(shì)。為高效利用能量奠定了基礎(chǔ)，具有一定的工程意義。附圖說(shuō)明圖1為線圈在本發(fā)明敘述的擺放位置及繞制方式圖；圖2為等效長(zhǎng)方形線圈最優(yōu)擺放方式的示意圖；圖3為磁感應(yīng)強(qiáng)度和兩根通電導(dǎo)線間的距離的關(guān)系圖；圖4為圖2最優(yōu)擺放方式下得到的等效電壓與兩通電導(dǎo)線間距離關(guān)系圖；圖5為兩通電導(dǎo)線間的磁通量和兩通電導(dǎo)線間距離的關(guān)系圖；圖6為導(dǎo)線電阻估計(jì)值和高度與線圈層數(shù)(Tiers)的關(guān)系圖；圖7為輸出功率與線徑的曲線圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，磁電自供能裝置的設(shè)計(jì)方法，包括以下具體實(shí)施步驟：(1)確定線圈在空間電磁場(chǎng)中的最優(yōu)擺放位置和繞制方式：通電導(dǎo)線的火線和零線平行放置，所述能量收集裝置放置在通電導(dǎo)線的火線和零線所組成平面的中間，且通電導(dǎo)線的火線和零線所組成平面與能量收集裝置的頂部和底部距離相等，磁電自供能裝置中硅鋼片疊加的方向平行于兩根通電導(dǎo)線組成平面，且疊加方向與兩根通電導(dǎo)線方向垂直，硅鋼片所在平面與兩通電導(dǎo)線構(gòu)成的平面垂直，磁電自供能裝置中線圈導(dǎo)線圍繞疊加的硅鋼片按順序由硅鋼片的一端向另一端往復(fù)繞制，其繞制方向與兩根通電導(dǎo)線所在平面平行，在實(shí)際計(jì)算中將圓形線圈近似等效于長(zhǎng)方形線圈如圖2所示，進(jìn)行計(jì)算求解。磁感應(yīng)強(qiáng)度B小于等于Bx時(shí)(本發(fā)明中取Bx＝2×10-5(T))，兩通電導(dǎo)線間產(chǎn)生的等效電壓較小，忽略不計(jì)。雖然感應(yīng)線圈隨著兩通電導(dǎo)線間距離的減小，磁感應(yīng)強(qiáng)度增大如圖3，但其線圈所包圍的磁通量變化率減少，等效電壓實(shí)際是減小如圖4所示關(guān)系，本專利中根據(jù)實(shí)際工程需要，選取在Bx大于等于2×10-5(T)內(nèi)，使線圈包圍最大磁通量，兩通電導(dǎo)線間的磁通量和兩通電導(dǎo)線間距離的關(guān)系如圖5所示，可得在考慮體積盡量小的情況下，線圈包圍最大磁通變化量時(shí)，線圈的直徑長(zhǎng)度b的計(jì)算過(guò)程如下:根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度公式：B=μ0Acosωt2πr---(1)]]>其中電流取有效值代入得:B=μ0A22πr---(2)]]>根據(jù)本專利中磁感應(yīng)強(qiáng)度和兩根通電導(dǎo)線間距離關(guān)系圖3得分析可知：r=b2---(3)]]>將(3)帶入(2)得到：b=μ0A2π×1Bx---(4)]]>式中：ω為交流電的角頻率(rad/s),t為時(shí)間變化(s)，r為通電導(dǎo)線到線圈上一點(diǎn)的距離，μ0為真空中的磁導(dǎo)率(H/m)，b為線圈直徑的長(zhǎng)度(m)，A為電流幅值(A)。根據(jù)上式可獲得供電線路通過(guò)不同電流幅值A(chǔ)時(shí)對(duì)應(yīng)的線圈直徑的長(zhǎng)度b。(2)設(shè)定匝數(shù)為N匝，線圈導(dǎo)線直徑(線徑)為φ米，繞制方式為緊密排列。本專利中N取值為1000。本專利中設(shè)線圈層數(shù)Tiers為Tiersx時(shí)，滿足線圈高度h和層數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖6：根據(jù)線圈高度公式：h=NTiersφ---(5)]]>本專利中線圈高度h等于線圈直徑的長(zhǎng)度b，得到公式：Tiers=Nbφ---(6)]]>化簡(jiǎn)得：Tiersx=2NπBXμ0Aφ---(7)]]>根據(jù)上式可獲得供電線路通過(guò)不同電流幅值A(chǔ)時(shí)對(duì)應(yīng)的線圈層數(shù)Tiers。(3)計(jì)算不同參數(shù)設(shè)定下，線圈中的等效電壓為式(8)，從而推導(dǎo)出輸出功率(10)：Ueq=NωAμ0a22π×ln(b+d+c+2NπBXμ0Aφ2)(d+c+2NπBXμ0Aφ2-d)c(b+c+2NπBXμ0Aφ2)---(8)]]>其中線圈內(nèi)阻R1為：l=N×(a+b+22NπBXμ0Aφ2)S=π×φ24R1=ρ×lS]]>得到：R1=4ρN×(a+b+22NπBXμ0Aφ2)π·φ2---(9)]]>x1=d+c+2NπBXμ0Aφ2Pout=Ueq2R2(R1+R2)2]]>最終得到：Pout=(NωAμ0a)2φ4R28[4ρN×(a+b+2NπBXμ0Aφ2)+πR2φ2]×ln2(b+d+c+2NπBXμ0Aφ2)(d+c+2NπBXμ0Aφ2-d)c(b+c+2NπBXμ0Aφ2)---(10)]]>式中：Ueq為等效電壓(V)，ω為交流電的角頻率(rad/s)，a為線圈等效長(zhǎng)方形磁導(dǎo)體邊長(zhǎng)(平行于導(dǎo)線)(m),c為磁導(dǎo)體近邊與通電導(dǎo)線的距離(m)，d兩個(gè)導(dǎo)線之間的距離(m)，x1為磁導(dǎo)體遠(yuǎn)邊與通電導(dǎo)線的距離(m)，Pout為輸出功率，R1和R2分別為線圈內(nèi)阻和負(fù)載電阻，ρ為導(dǎo)線電阻率(Ωm)。c和x1由線徑?jīng)Q定。(4)優(yōu)化問(wèn)題，尋找最優(yōu)參數(shù)集合：通過(guò)上述的公式推導(dǎo)得到最終的公式(10)所示，輸出功率Pout是線徑φ的函數(shù)。通過(guò)輸出功率與線徑的曲線圖7，選取輸出功率Pout最大值處，線徑φ對(duì)應(yīng)的值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的φ為線圈的最優(yōu)線徑。(5)規(guī)定線圈中電容的容值：估測(cè)銅線圈的電感L，選擇能夠與線圈產(chǎn)生諧振的電容C與之并聯(lián)；諧振產(chǎn)生的物理原理如公式(11)所示：f=12πLC(Hz)---(11)]]>由此推出滿足條件的電容C的值應(yīng)為方程(12)所示：C=14π2f2L(F)---(12)]]>在交流頻率f＝50Hz的前提下，簡(jiǎn)化為方程(13):C≈198696×L(F)---(13)]]>以上實(shí)施例描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明原理的范圍下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)均落入本發(fā)明保護(hù)的范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3