[发明专利]一种磁芯分裂式磁场能量收集装置

权利要求书

1.一种磁芯分裂式磁场能量收集装置，其特征在于，

(1)对独立式磁场能采集器进行分析，得到磁场能量采集器内部电路图，进一步得到环境磁场与采集器电压输入输出关系；引入有效磁导率概念，对圆柱体磁芯的有效磁导率进行分析，得到有效磁导率与磁芯长径比的关系；

(2)设计新的分裂式磁芯，利用六个大小相同的细磁芯代替原本的粗磁芯，实现磁芯分裂；推导分裂式磁芯等效模型，得到分裂式磁芯有效磁导率、开路电压、输出功率及功率密度表达式，利用Maxwell仿真与上述公式对比验证分析准确性；将分裂式磁芯与原圆柱体磁芯输出功率及功率密度进行对比，得到结论优化后输出功率降低，功率密度提升，其中功率密度提升率比输出功率降低率高，优化有价值；

(3)设计第二步优化，在磁芯两端分离相同的距离，距离越长输出越大，实现磁芯体积不变的同时增大输出功率，进而提高功率密度，利用两步优化同时提高采集器输出功率密度；

(4)最后根据磁芯本身结构稳定性选择最佳分离距离，得到最优形状的磁芯分裂式磁场能量收集器，两步优化实现输出功率和功率密度共同提高。

2.根据权利要求1所述的一种磁芯分裂式磁场能量收集装置，其特征在于，

步骤1.独立式磁场采集

如果一条直导线通过交变电流I，那么在导线周围将产生交变磁场B，处在变化磁场区域的收集器会在线圈两端产生感应电动势；根据法拉第电磁感应定律，得出下式：

u₀＝nB₀Sω (1)

其中n为线圈匝数，B₀为环境磁感应瞬时值，S为线圈截面积，ω为磁场角速度，感应电动势u₀、内部阻抗R_S、自感L_S、补偿电容C_S以及负载R_L；

带有闭合铁芯后开路电压表达式：u₀＝nB₀Sωμ_r (2)

由于退磁场的影响，磁芯内正向的磁感应强度减小，需要减去退磁场H_d，线圈能够利用的磁感应大小B_coil与正向磁感应大小B_core关系如下所示：

有效磁导率μ_e定义的公式：u₀＝nB₀Sωμ_e (4)

圆柱体的有效磁导率表达式：

N为磁芯的退磁因子，圆柱体的退磁因子表达式如下所示：

从式(6)中得出退磁因子的大小主要与长径比m有关，m等于圆柱体磁芯长度和直径的比值，长径比m越大，退磁因子N越小；

步骤2.分裂式磁芯第一步优化

利用六个长度相等的细磁芯代替原本单个粗磁芯；由公式(4)可知独立式磁芯开路电压表达式，如果单个圆柱体磁芯半径比线圈半径小，那么改为如下公式所示，其中S_a代表现有磁芯的面积，而非线圈面积：

u₀＝nB₀ωS_aμ_e (7)

如果线圈内含有多个相同磁芯，磁芯数量为N时，公式如下所示：

u₀＝nB₀ω(N*S_a)μ_e (8)

分裂式磁芯最大输出功率P及功率密度D表达式如下所示：

其中R_L为负载电阻，V为磁芯的总体积；

对其中的有效磁导率μ_e进行分析，这里的有效磁导率μ_e由于磁芯互相贴合，需要利用等效后圆柱体磁芯的长径比进行计算；

新的分裂式磁芯有效磁导率μ'_e表达式如下所示，其中μ_e通过上述转换得到：

步骤3.分裂式磁芯第二步优化设计

通过上述分析，对磁芯形状进行两次优化后，得到的最优新型分裂式磁芯的设计如图11所示，在对称的两端分离出相同距离的两根磁芯，在保证系统稳定性的前提下达到最高的功率密度；

改变分裂式磁芯分裂距离l_d，通过Maxwell磁场仿真得到其对应有效磁导率，然后通过公式(9)分别计算其对应输出功率和功率密度；

随着分裂式磁芯分裂距离l_d的增加，无论输出功率还是功率密度都随之增大。