一种非侵入式磁场取能装置及输出功率提升方法与流程

计算;推算;计数设备的制造及其应用技术1.本发明涉及磁场取能技术领域，具体涉及一种非侵入式磁场取能装置及输出功率提升方法。背景技术：2.无源无线化是电网数字化转型中感知单元的重要发展方向。基于环境能量收集的自供电技术是实现传感器无源化的重要手段，其中，工频磁场能量在电力场景的分布尤为普遍，随着微能量收集技术和传感器低功耗设计技术的发展，工频磁场取能电力传感器在应用种类和规模上将占有绝对的优势。3.目前，磁场取能电力传感器主要以环形ct的侵入式磁场取能为主，其输出功率相对较大，可达毫瓦至瓦级。但是，对于电缆、导体以及紧凑型电力设备空间，为提升部署灵活性，非侵入式的磁场取能需求较为迫切。然而，传统的非侵入式磁场取能技术在线圈和磁芯的设计上未形成优化设计方案，在体积限定的条件下，输出功率较低，较小输出功率和功率密度成为制约其应用的主要原因。技术实现要素：4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中非侵入式磁场取能装置功率密度低的缺陷，从而提供一种非侵入式磁场取能装置及输出功率提升方法。5.本发明提出的技术方案如下：第一方面，本发明实施例提供一种非侵入式磁场取能装置输出功率提升方法，包括：构建非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型，所述非侵入式磁场取能装置包括磁芯及缠绕在所述磁芯上的取能线圈；将所述非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型进行函数求导，得到功率密度关于所述磁芯的叠片边长与磁柱直径比例关系的导函数；根据所述导函数求解所述叠片边长与所述磁柱直径的最优比例；根据所述最优比例设计所述非侵入式磁场取能装置。6.可选地，所述构建非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型，包括：将所述磁芯等效为长直磁芯，计算等效后的磁路长度；基于所述磁芯的退磁系数及所述磁芯的相对磁导率，计算所述磁芯的有效磁导率，所述退磁系数根据所述磁路长度与所述磁柱直径确定；获取缠绕所述磁芯的取能线圈匝数、取能线圈有效截面积及取能线圈所处位置的磁感应强度；基于法拉第电磁感应定律，计算所述取能线圈两端产生的感应电压；根据所述感应电压、负载电阻及取能线圈内阻计算所述非侵入式磁场取能装置的输出功率；根据所述输出功率及磁芯的体积，计算所述非侵入式磁场取能装置的功率密度，得到非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型。7.可选地，所述非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型为：其中，为功率密度，p为输出功率，v为磁芯的体积，为负载电阻，ω为导体电流的角频率，为真空磁导率，为磁芯相对磁导率，lcore为磁柱长度，i为导体电流，acore为磁柱直径，k为叠片边长与磁柱直径的比例系数，为取能线圈中心到导体的距离，dw为线圈线径，k=2leq/acore，d=[1-(2/k)2]0.5，leq为磁路长度，b为叠片厚度，λ为取能线圈材料电阻率。[0008]可选地，所述感应电压的表达式为：其中，us为取能线圈两端产生的感应电压，a为叠片边长。[0009]第二方面，本发明实施例提供一种非侵入式磁场取能装置，采用本发明实施例第一方面所述的非侵入式磁场取能装置输出功率提升方法。[0010]可选地，所述非侵入式磁场取能装置，包括：能量转换装置、补偿网络装置及电能变换装置，其中，所述能量转换装置包括磁芯及缠绕在所述磁芯上的取能线圈，所述取能线圈用于将导体所产生磁场的能量转换为工频交流电压，所述磁芯用于提高感应电压；所述补偿网络装置包括补偿电容，所述补偿电容用于与取能线圈自感谐振；所述电能变换装置包括整流模块，所述整流模块用于将工频交流电变换为直流电，对输电线路传感器电池进行供电。[0011]可选地，所述磁芯采用叠片边长与磁柱直径最优比例设计。[0012]第三方面，本发明实施例提供一种非侵入式磁场取能装置输出功率提升系统，包括：构建模块，用于构建非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型，所述非侵入式磁场取能装置包括磁芯及缠绕在所述磁芯上的取能线圈；求导模块，用于将所述非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型进行函数求导，得到功率密度关于所述磁芯的叠片边长与磁柱直径比例关系的导函数；求解模块，用于根据所述导函数求解所述叠片边长与所述磁柱直径的最优比例；设计模块，用于根据所述最优比例设计所述非侵入式磁场取能装置。[0013]第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行本发明实施例第一方面所述的非侵入式磁场取能装置输出功率提升方法。[0014]第五方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行本发明实施例第一方面所述的非侵入式磁场取能装置输出功率提升方法。[0015]本发明技术方案，具有如下优点：本发明提供的一种非侵入式磁场取能装置输出功率提升方法，包括：构建非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型，非侵入式磁场取能装置包括磁芯及缠绕在磁芯上的取能线圈；将非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型进行函数求导，得到功率密度关于磁芯的叠片边长与磁柱直径比例关系的导函数；根据导函数求解叠片边长与磁柱直径的最优比例；根据最优比例设计非侵入式磁场取能装置。在构建非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型的基础上，通过设计叠片边长与磁柱直径间最优比例系数，有效提高了非侵入式磁场取能的功率密度。[0016]本发明提供的一种非侵入式磁场取能装置，基于非侵入式磁场取能装置输出功率提升方法设计非侵入式磁场取能装置，通过设计磁芯结构，有效解决了现有装置功率密度较低的问题。附图说明[0017]为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0018]图1为本发明实施例中非侵入式磁场取能装置输出功率提升方法的一个具体示例的流程图；图2为本发明实施例中非侵入式磁场取能装置结构示意图；图3为本发明实施例中非侵入式磁场取能装置等效电路图；图4为本发明实施例中非侵入式磁场取能装置哑铃型磁芯结构示意图；图5为本发明实施例中非侵入式磁场取能装置哑铃型磁芯结构等效示意图；图6为本发明实施例中非侵入式磁场取能装置的功率密度随比例系数变化曲线图；图7为本发明实施例中非侵入式磁场取能装置输出功率提升系统的一个具体示例的原理框图；图8为本发明中提供的计算机设备一个具体示例的组成图。具体实施方式[0019]下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0020]在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。[0021]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0022]此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。[0023]本发明实施例提供一种非侵入式磁场取能装置输出功率提升方法，如图1所示，包括如下步骤：步骤s1：构建非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型，非侵入式磁场取能装置包括磁芯及缠绕在磁芯上的取能线圈。[0024]在一具体实施例中，基于如图2所示的非侵入式磁场取能装置构建非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型。如图2所示，非侵入式磁场取能装置包括能量转换装置、补偿网络装置和电能变换装置。能量转换装置包括将导体所产生磁场的能量转换为工频交流电压的取能线圈和提高感应电压的磁芯。补偿网络装置包括补偿电容cs。电能变换装置包括整流模块。其中，导体位于原边侧，导体电流为i。取能线圈、磁芯与补偿网络装置位于副边侧。取能线圈自感为ls，取能线圈内阻为rs，取能线圈与导体间的互感为m，取能线圈与补偿网络中的补偿电容cs连接。在本发明实施例中，导体可以为输电电缆。整流模块为全桥整流器。图3所示为高功率密度非侵入式磁场取能装置等效电路图，i为输电线路电流，us为线圈上产生的感应电压，rl为等效负载。[0025]在本发明实施例中，通过如下步骤构建非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型：步骤s11：将磁芯等效为长直磁芯，计算等效后的磁路长度。[0026]步骤s12：基于磁芯的退磁系数及磁芯的相对磁导率，计算磁芯的有效磁导率，退磁系数根据磁路长度与磁柱直径确定。[0027]步骤s13：获取缠绕磁芯的取能线圈匝数、取能线圈有效截面积及取能线圈所处位置的磁感应强度。[0028]步骤s14：基于法拉第电磁感应定律，计算取能线圈两端产生的感应电压。[0029]步骤s15：根据感应电压、负载电阻及取能线圈内阻计算非侵入式磁场取能装置的输出功率。[0030]步骤s16：根据输出功率及磁芯的体积，计算非侵入式磁场取能装置的功率密度，得到非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型。[0031]具体地，步骤1：根据法拉第电磁感应定律，线圈两端产生的感应电压us可表示为：（1）其中，ω为导体电流的角频率，n为线圈匝数，b为线圈所处位置的磁感应强度，a为线圈有效截面积，磁芯对装置输出的提升作用体现为有效磁导率，有效磁导率受磁芯结构及其尺寸影响。[0032]步骤2：采用如图4所示的哑铃型磁芯来提高感应电压us。磁芯由磁柱与两端叠片组成，叠片用于汇聚磁通，增强磁场，提高系统输出。将如图4所示的哑铃型磁芯等效为如图5所示的长直磁芯，其等效磁路长度leq可表示为：（2）其中，a为叠片边长，b为叠片厚度，acore为磁柱直径，lcore为磁柱长度。[0033]有效磁导率可表示为：（3）其中，为磁芯相对磁导率，退磁系数d受等效磁路长度leq与磁柱直径acore的比值k影响，有如下关系式：（4）其中，k=2leq/acore，d=[1-(2/k)2]0.5，对于哑铃型磁芯，通常k》2，即：（5）步骤3：对于线圈绕满的哑铃型磁芯，线圈匝数n可表示为：（6）其中，dw为线圈线径。[0034]同时线圈内阻rs可表示为：（7）其中，λ为线圈材料电阻率。[0035]其中l1为平均线圈长度，可表示为：（8）联立式（6）-（8）可得线圈内阻rs：（9）将导体等效为无限长直导线，则线圈所处位置的磁感应强度b可表示为：（10）其中，为真空磁导率，i为导体电流，为线圈中心到导体的距离。[0036]同时线圈有效截面积a等效为：（11）步骤4：联立式（3）（5）（6）（10）（11），可得感应电压表达式：（12）负载电压u及输出功率p表示为：（13）磁芯与线圈的体积v可表示为：（14）步骤5：设叠片边长a与磁柱直径acore存在如下关系：（15）其中k为比例系数。[0037]联立式（12）-（15），得到非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型：（16）其中，为功率密度。[0038]步骤s2：将非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型进行函数求导，得到功率密度关于磁芯的叠片边长与磁柱直径比例关系的导函数。[0039]在一具体实施例中，视除k外的其他参数为常数，对式（16）求导可得导函数：（17）步骤s3：根据导函数求解叠片边长与磁柱直径的最优比例。[0040]在一具体实施例中，令，可得唯一解，即功率密度关于比例系数k的函数只有一个极值点，在一定参数下，功率密度随关于比例系数k的函数曲线如图6所示，因此该点为极大值点，故存在最优比例k，使得装置功率密度最高。如图6所示，功率密度随比例系数的增加呈先增加后减小的变化趋势，即叠片边长与磁柱直径存在最优比例，使得功率密度最高。[0041]步骤s4：根据最优比例设计非侵入式磁场取能装置。[0042]在一具体实施例中，通过设计磁芯结构提高感应电压。具体地，通过设计最优比例系数k，可以使装置功率密度最高，为优化设计高功率密度非侵入式磁场取能装置提供理论支持。该哑铃型磁芯的叠片边长由最优比例确定且线圈绕满哑铃型磁芯，有效解决了现有装置功率密度较低的问题。[0043]在一实施例中，设定导体电流i为100a，角频率ω为100π，等效负载rl为1kω，线圈电阻率λ为1.72×10-8ω·m，线圈线径dw为0.0002m，真空磁导率为为4π×10-7，磁芯相对磁导率为30000，哑铃型磁芯磁柱长度lcore为0.038m，磁柱直径为acore为0.005m，叠片厚度b为0.001m，设定叠片边长与磁柱直径的比例为k，则叠片边长a为0.005k，基于最优比例k所设计装置的设计过程如下：该哑铃型磁芯等效磁路长度leq：退磁系数d为：由式（3）计算有效磁导率为：设定线圈绕满磁芯，则线圈匝数n和线圈内阻rs：线圈所处位置磁感应强度b及线圈有效截面积a为：由式（1）计算感应电压us为：磁芯与线圈的体积v为：由式（16）计算装置功率密度(单位：mw/cm3)为：对功率密度求关于k的导函数，并令，可得唯一解k=2.3，同时功率密度关于比例系数k的函数曲线如附图6中acore=5mm曲线所示，分析可知k=2.3是极大值点，此时功率密度最高，可达1.816mw/cm3，是k=1.2时对应功率密度的4倍。故存在最优比例系数k使装置功率密度最高，该参数下的装置功率密度提升效果可达4倍。[0044]本发明实施例还提供一种非侵入式磁场取能装置，基于上述非侵入式磁场取能装置输出功率提升方法设计而成。[0045]在一具体实施例中，如图2所示，非侵入式磁场取能装置，包括：能量转换装置、补偿网络装置及电能变换装置。[0046]其中，能量转换装置包括磁芯及缠绕在磁芯上的取能线圈，取能线圈用于将导体所产生磁场的能量转换为工频交流电压，磁芯用于提高感应电压。补偿网络装置包括补偿电容，补偿电容用于与取能线圈自感谐振，进而提高系统功率密度。电能变换装置包括整流模块，整流模块用于将工频交流电变换为直流电，对输电线路传感器电池进行供电。在本发明实施例中，整流模块为全桥整流器。[0047]在一实施例中，磁芯采用叠片边长与磁柱直径最优比例设计。[0048]在一具体实施例中，哑铃型磁芯基于最优比例系数k设计。哑铃型磁芯由磁柱及叠片组成，磁柱直径为acore，磁柱长度为lcore，叠片厚度为b，叠片边长a由磁柱直径acore与最优比例系数k确定，线圈绕满哑铃型磁芯，匝数n由磁柱直径acore确定。[0049]本发明实施例还提供一种非侵入式磁场取能装置输出功率提升系统，如图7所示，包括：构建模块1，用于构建非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型，非侵入式磁场取能装置包括磁芯及缠绕在磁芯上的取能线圈。详细内容参见上述方法实施例中步骤s1的相关描述，在此不再赘述。[0050]求导模块2，用于将非侵入式磁场取能装置功率密度评估模型进行函数求导，得到功率密度关于磁芯的叠片边长与磁柱直径比例关系的导函数。详细内容参见上述方法实施例中步骤s2的相关描述，在此不再赘述。[0051]求解模块3，用于根据导函数求解叠片边长与磁柱直径的最优比例。详细内容参见上述方法实施例中步骤s3的相关描述，在此不再赘述。[0052]设计模块4，用于根据最优比例设计非侵入式磁场取能装置。详细内容参见上述方法实施例中步骤s4的相关描述，在此不再赘述。[0053]本发明实施例还提供了一种计算机设备，如图8所示，该设备终端可以包括处理器61和存储器62，其中处理器61和存储器62可以通过总线或者其他方式连接，图8中以通过总线连接为例。[0054]处理器61可以为中央处理器（central processing unit，cpu）。处理器61还可以为其他通用处理器、数字信号处理器（digital signal processor，dsp）、专用集成电路（application specific integrated circuit，asic）、现场可编程门阵列（field-programmable gate array，fpga）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。[0055]存储器62作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的对应的程序指令/模块。处理器61通过运行存储在存储器62中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的非侵入式磁场取能装置输出功率提升方法。[0056]存储器62可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器61所创建的数据等。此外，存储器62可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器62可选包括相对于处理器61远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器61。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。[0057]一个或者多个模块存储在存储器62中，当被处理器61执行时，执行实施例中的非侵入式磁场取能装置输出功率提升方法。[0058]上述计算机设备具体细节可以对应参阅实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。[0059]本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（read-only memory，rom）、随机存储记忆体（random access memory，ram）、快闪存储器（flash memory）、硬盘（hard disk drive，缩写：hdd）或固态硬盘（solid-state drive，ssd)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。[0060]显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。









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