[发明专利]一种磁芯分裂式磁场能量收集装置

说明书

本发明公开了一种磁芯分裂式磁场能量收集装置，属于独立式环境能量收集设计领域。以法拉第电磁感应定律为基础，在独立式磁场能量收集装置设计过程中以最大提高输出功率密度为目标，确定磁场收集装置形状与输出功率密度的关系；之后根据磁芯等效分析，确定第一步圆柱体优化为分裂式的磁场能量收集方式，并得到有效磁导率表达式，分析其准确性；由于第一步优化后新形状可移动的优点，对磁场能量收集装置的分裂距离进行第二步优化，磁芯两端分离相同距离提高输出；最后考虑到收集器结构稳定性确定80mm分裂式磁芯为最优形状。仿真中优化实现了输出功率变为原来的4.05倍，功率密度变为原来的6.07倍。

技术领域

本发明提出了一种磁芯分裂式磁场能量收集装置，属于独立式环境能量收集设计领域。

背景技术

随着超低功耗无线传感器的开发并应用，对磁场能量采集的研究也随之展开，这种采集方式主要对交流输电线附近的传感器供电。磁场能量采集技术主要包括两种：环绕式和独立式。在最开始的研究过程中大都依靠环绕式电磁感应收集方法，将采集器安装在线路上采集交流电周围变化的磁场。

但是相应的也存在很大的局限性，由于环绕式采集器必须安装在电力线上，对于架空电力线和地下电缆而言这种设计很难安装，拆卸起来也很复杂。所以之后研究人员们逐渐将研究内容转移到独立式采集上。

独立式采集器由于远离电源线采集能量，因此具有移动方便、可随意更换的优点。目前对独立式采集器的研究已经成为了广大学者的热门课题。无论是对采集器线圈缠绕方式分析还是采集器后续管理电路研究方面都取得了许多重要的结论，供给研究人员参考。除此之外，还针对独立式采集装置内部磁芯的设计，引入有效磁导率概念，设计时根据有效磁导率对应输出功率密度进行优化，并对优化后的形状进行仿真和理论分析。这种优化分析后得到的采集器比未经优化的圆柱体采集器输出功率及功率密度更高，因此磁芯优化是独立式磁场采集器优化的一种重要方法。

发明内容

针对现有的独立式磁芯结构，本发明提供一种新的磁芯分裂式磁场能量收集装置。首先在原本磁芯的基础上分裂出六个细磁芯，然后基于分裂式磁芯移动灵活的特性在两端分离出相同的距离，实现输出功率及功率密度的共同提高。

本发明采取的技术方案是：

首先，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，有效磁导率随着磁芯长径比的增大而增大，因此确定其主要受磁芯形状影响。

然后，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。

其次，由于利用多个细磁芯代替粗磁芯，所以优化后的磁芯具有可移动能力，且通过仿真已知有效磁导率随着磁芯分离距离的增大而增大，所以设计第二步优化，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。

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。

本发明的有益效果是：

(1)分裂式磁芯比圆柱体磁芯收集装置的输出功率大。

(2)分裂式磁芯比圆柱体磁芯收集装置的功率密度高。

(3)结构可移动，可以实现连续的利用自身改变输出大小。

(4)优化后磁芯体积缩小。