一种用于三芯电缆的高能量密度磁场能量收集装置及系统

摘要

本发明涉及一种用于三芯电缆的高能量密度磁场能量收集装置及系统，属于空间电磁场能量收集领域，六段铁芯构成一个完整的圆环环绕三芯电缆，在三芯电缆的切向磁感应强度沿着圆周方向的3个极值点对应位置的三段铁芯上沿三芯电缆的轴向方向分别缠绕感应线圈，在三芯电缆的径向磁感应强度沿着圆周方向的3个极值点对应位置的三段铁芯上沿三芯电缆的半径方向分别缠绕感应线圈，通过分析电缆周围磁场分布的基础上，设计取能线圈的布置，最大程度上利用了电缆周围的磁场能量，实现在三芯电缆宽工作范围内的有效能量收集，并满足供给电缆的各种传感器的能量供给。

说明书

技术领域

本发明涉及空间电磁场能量收集领域，特别是涉及一种用于三芯电缆的高能量密度磁场能量收集装置及系统。

背景技术

近年来，智能电网的建设得到越来越快的发展。在智能电网的发展过程中，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)发挥了重要作用，WSN可以提供智能电网运行过程中一些关键节点的运行状态信息，为智能电网的安全高效运行提供了重要支撑。

对于分布式传感器网络，每一个传感器节点都需要充足的能量供给，才能满足整个网络正常工作的需要，因此如何解决传感器的能量供给问题，成为了一个重要课题。在国内外学者的研究中发现，可以收集利用传感器工作环境中的能量，最终实现能量供给，尤其对于电力网络，更是有丰富的电磁场能量可以加以利用。

在城市配电网中，电力电缆得到了越来越多的应用。其中，三芯电缆因为其结构紧凑，能量密度高而得到广泛应用。在电缆周围环境能量收集领域，有很多取能装置被提出，大多针对于单芯电缆，由于单芯电缆结构简单，周围磁场分布均匀，磁感应强度较高，所以能量收集相对简单。但对于三芯电缆，能量收集将变得尤为困难。原因在于三芯电缆中通入的三相电流相位互差120

发明内容

本发明的目的是提供一种用于三芯电缆的高能量密度磁场能量收集装置及系统，以实现在三芯电缆宽工作范围内的有效能量收集。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于三芯电缆的高能量密度磁场能量收集装置，所述装置包括：六段铁芯；

六段铁芯拼接成一个完整的圆环，所述圆环环绕三芯电缆；

在三芯电缆圆周方向的0°、120°和240°对应位置的三段铁芯上沿三芯电缆的轴向方向分别缠绕感应线圈；所述三芯电缆圆周方向的0°、120°和240°为三芯电缆的切向磁感应强度沿着圆周方向的3个极值点；

在三芯电缆圆周方向的60°、180°和300°对应位置的三段铁芯上沿三芯电缆的半径方向分别缠绕感应线圈；所述三芯电缆圆周方向的60°、180°和300°为三芯电缆的径向磁感应强度沿着圆周方向的3个极值点。

可选的，每段所述铁芯为硅钢片层压结构，每段所述铁芯沿三芯电缆的轴向方向的截面尺寸为30mm×40mm。

可选的，所述感应线圈为0.5mm直径的铜导线，所述感应线圈在铁芯上绕制300匝。

可选的，在位于三芯电缆圆周方向的60°、180°和300°位置的三段铁芯上各自开设两个截面尺寸为30mm×5mm的通孔，感应线圈从两个通孔依次穿过，并沿三芯电缆的半径方向缠绕在两个通孔之间的铁芯上。

可选的，所述装置包括：封装层；

所述封装层固定在所述圆环的外部。

一种用于三芯电缆的高能量密度磁场能量收集系统，所述系统包括：第一半波整流升压电路、第二半波整流升压电路、能量收集管理芯片和前述的装置；

所述装置中在三段铁芯上沿三芯电缆的轴向方向缠绕的感应线圈均连接第一半波整流升压电路；所述装置中在三段铁芯上沿三芯电缆的半径方向缠绕的感应线圈均连接第二半波整流升压电路；所述第一半波整流升压电路和所述第二半波整流升压电路串联后连接能量收集管理芯片；

所述第一半波整流升压电路用于将沿三芯电缆的轴向方向缠绕的感应线圈的感应电压升压并转换为第一直流电压；

所述第二半波整流升压电路用于将沿三芯电缆的半径方向缠绕的感应线圈的感应电压升压并转换为第二直流电压；

所述能量收集管理芯片用于收集第一直流电压和第二直流电压串联后的总直流电压，并输出稳定的总直流电压。

可选的，所述第一半波整流升压电路包括：第一电阻、第一二极管、第一电容、第二电阻、第二二极管、第二电容、第三电阻、第三二极管和第三电容；

第一电阻的一端与沿三芯电缆的轴向方向缠绕的第一个感应线圈的一端连接，第一电阻的另一端与第一二极管的阳极连接，第一电容的一端分别与第一二极管的阴极和能量收集管理芯片连接；第一电容的另一端与沿三芯电缆的轴向方向缠绕的第一个感应线圈的另一端连接；

第二电阻的一端与沿三芯电缆的轴向方向缠绕的第二个感应线圈的一端连接，第二电阻的另一端与第二二极管的阳极连接，第二电容的一端分别与第二二极管的阴极和第一电容的另一端连接；第二电容的另一端与沿三芯电缆的轴向方向缠绕的第二个感应线圈的另一端连接；

第三电阻的一端与沿三芯电缆的轴向方向缠绕的第三个感应线圈的一端连接，第三电阻的另一端与第三二极管的阳极连接，第三电容的一端分别与第三二极管的阴极和第二电容的另一端连接；第三电容的另一端分别与沿三芯电缆的轴向方向缠绕的第三个感应线圈的另一端和所述第二半波整流升压电路连接。

可选的，所述第二半波整流升压电路包括：第四电阻、第四二极管、第四电容、第五电阻、第五二极管、第五电容、第六电阻、第六二极管和第六电容；

第四电阻的一端与沿三芯电缆的半径方向缠绕的第一个感应线圈的一端连接，第四电阻的另一端与第四二极管的阳极连接，第四电容的一端分别与第四二极管的阴极和第三电容的另一端连接；第四电容的另一端与沿三芯电缆的半径方向缠绕的第一个感应线圈的另一端连接；

第五电阻的一端与沿三芯电缆的半径方向缠绕的第二个感应线圈的一端连接，第五电阻的另一端与第五二极管的阳极连接，第五电容的一端分别与第五二极管的阴极和第四电容的另一端连接；第五电容的另一端与沿三芯电缆的半径方向缠绕的第二个感应线圈的另一端连接；

第六电阻的一端与沿三芯电缆的半径方向缠绕的第三个感应线圈的一端连接，第六电阻的另一端与第六二极管的阳极连接，第六电容的一端分别与第六二极管的阴极和第五电容的另一端连接；第六电容的另一端分别与沿三芯电缆的半径方向缠绕的第三个感应线圈的另一端和能量收集管理芯片连接。

可选的，在沿三芯电缆的轴向方向缠绕的感应线圈与第一半波整流升压电路之间，以及沿三芯电缆的半径方向缠绕的感应线圈与第二半波整流升压电路之间均设置有过电压保护电路。

可选的，所述能量收集管理芯片的型号为LTC3331。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种用于三芯电缆的高能量密度磁场能量收集装置及系统，六段铁芯构成一个完整的圆环环绕三芯电缆，在三芯电缆的切向磁感应强度沿着圆周方向的3个极值点对应位置的三段铁芯上沿三芯电缆的轴向方向分别缠绕感应线圈，在三芯电缆的径向磁感应强度沿着圆周方向的3个极值点对应位置的三段铁芯上沿三芯电缆的半径方向分别缠绕感应线圈，通过分析电缆周围磁场分布的基础上，设计取能线圈的布置，最大程度上利用了电缆周围的磁场能量，实现在三芯电缆宽工作范围内的有效能量收集，并满足供给电缆的各种传感器的能量供给。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的用于三芯电缆的高能量密度磁场能量收集装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的三芯电缆的简化计算模型示意图；

图3为本发明实施例1提供的三芯电缆周围切向磁感应强度法向分布图；

图4为本发明实施例1提供的三芯电缆周围切向磁感应强度分布图；

图5为本发明实施例1提供的三芯电缆周围径向磁感应强度分布图；

图6为本发明实施例2提供的用于三芯电缆的高能量密度磁场能量收集装置的结构示意图；

图7为本发明实施例2提供的半波整流升压电路的示意图；

图8为本发明实施例2提供的能量收集管理芯片的示意图；

图9为本发明实施例2提供的半波整流电路输出电压仿真结果图。

符号说明：1-感应线圈，2-铁芯，3-半波整流升压电路，4-能量收集管理芯片，5-过电压保护电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种用于三芯电缆的高能量密度磁场能量收集装置及系统，以实现在三芯电缆宽工作范围内的有效能量收集。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

图1为本发明实施例1提供的用于三芯电缆的高能量密度磁场能量收集装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供一种用于三芯电缆的高能量密度磁场能量收集装置，包括：六段铁芯2。

六段铁芯2拼接成一个完整的圆环，所述圆环环绕三芯电缆。在三芯电缆圆周方向的0°、120°和240°对应位置的三段铁芯2上沿三芯电缆的轴向方向分别缠绕感应线圈1；所述三芯电缆圆周方向的0°、120°和240°为三芯电缆的切向磁感应强度沿着圆周方向的3个极值点。在三芯电缆圆周方向的60°、180°和300°对应位置的三段铁芯2上沿三芯电缆的半径方向分别缠绕感应线圈1；所述三芯电缆圆周方向的60°、180°和300°为三芯电缆的径向磁感应强度沿着圆周方向的3个极值点。

示例性的，每段铁芯2为硅钢片层压结构，每段铁芯2沿三芯电缆的轴向方向的截面尺寸为30mm×40mm。相对磁导率约为5000，每段铁芯2对应三芯电缆的圆心角为60°，共同构成整个环形铁芯，实现整个取能线圈可拆装，方便现场安装调试，达到即插即用的目的。

在一个示例性中，感应线圈1为0.5mm直径的铜导线，感应线圈1在铁芯2上绕制300匝。

其中有三段铁芯2要在特定位置开孔：在位于三芯电缆圆周方向的60°、180°和300°位置的三段铁芯2上各自开设两个截面尺寸为30mm×5mm的通孔，感应线圈1从两个通孔依次穿过，并沿三芯电缆的半径方向缠绕在两个通孔之间的铁芯2上。

示例性的，高能量密度磁场能量收集装置包括：封装层。所述封装层固定在所述圆环的外部。整个环形铁芯分为6块，外部用封装材料固定。

本发明提供了一种用于三芯电缆的高能量密度磁场能量收集装置，解决了三芯电缆三相电流具有相位差，以及电缆周围磁场分布不均匀的问题，同时根据电缆周围磁场分布设计取能线圈的结构参数，具有更高的能量密度，可以最大程度上利用电缆周围的磁场能量。

一种用于三芯电缆的高能量密度磁场能量收集装置的设计思路为：①建立三芯电缆的简化计算模型，用于计算分析电缆周围的磁场分布。②根据电缆周围磁场分布的特性，在电缆周围布置环形铁芯，并在6个特定位置缠绕感应线圈1。③将6个感应线圈1根据缠绕方向分为两组，每一组线圈都通过半波整流升压电路3实现AC/DC的转换并升高电压。④采用LTC3331能量收集管理芯片4实现能量收集装置的稳定电压输出。

如图2所示，建立三芯电缆的简化计算模型，根据毕奥萨伐尔定律，可以计算每一根导体在周围产生的磁场分布，总的磁场分布即为三根导体产生磁场的叠加，三芯电缆周围磁场分布满足下式函数关系：

其中，

根据三芯电缆周围磁场分布满足的函数关系，得到电缆周围的磁场分布如图3、图4、图5所示。从图3(图3的横轴所代表的径向距离是指铁芯到电缆表面的距离)可以看出，沿电缆法向方向磁感应强度模值迅速衰减，当距离电缆表面40mm时，磁感应强度模值已将降低到电缆表面磁感应强度模值的25％，因此为了最大程度利用电缆周围磁场能量，同时节约铁芯材料成本以及减小取能装置尺寸，因此将铁芯法向宽度设置为40mm。从法向和切向两个方向分别分析电缆周围的磁场分布如图4、图5所示，切向磁感应强度沿着圆周方向存在3个极值点，分别位于0°、120°、240°三个位置，并且远离极值点衰减迅速。切向磁感应强度分布也具有类似分布，极值点位于60°、180°、300°三个位置。通过分析电缆周围磁场分布可知，若想最大程度上利用电缆周围磁场能量，那么就要根据磁感应强度方向以及极值点布置感应线圈1。

根据电缆周围磁场分布特点，设计取能线圈布局如图1所示。为了提高线圈内的磁通密度，将环形铁芯完整环绕电缆周围，为电缆周围磁场提供完整的磁路。铁芯2截面积为40mm×30mm(沿三芯电缆法向宽度设置为40mm，沿三芯电缆轴向长度为30mm)，相对磁导率约为5000。在特定位置开孔，开孔尺寸30mm×5mm(沿三芯电缆半径方向的长度为30mm，沿三芯电缆切向的长度为5mm)。整个环形铁芯分为6块，外部用封装材料固定。每一块对应圆心角为60°。从图1中可以看到，在切向磁感应强度极值点缠绕切向线圈A1、B1、C1，在法向磁感应强度极值点缠绕法向线圈A2、B2、C2。每个感应线圈1都用0.5mm铜导线绕制，匝数为300匝。利用有限元仿真软件可计算出每个线圈的感应电压，电缆电流为200A，线圈匝数为300匝，铁芯2的磁导率为5000，线圈A1、B1、C1的感应电压幅值为656mV，相位互差120°，线圈A2、B2、C2的感应电压幅值为448mV，相位互差120°。感应电压已经完全满足二极管的导通要求，半波整流电路可以正常工作。

本发明的优势在于，克服了三芯电缆导体电流产生的磁场相互叠加，导致的磁场分布不均匀。最大程度上利用了电缆周围的磁场能量，提高了取能装置的能量密度。采用的整流升压电路尽可能的简单，提高了整个装置的可靠性。同时，采用半波整流电路可以减少一个二极管的使用，这样既可以降低二极管电压损耗，还能提高整个整流电路的启动电压，在电缆电流较低的工况也能实现能量收集。

实施例2

本发明实施例提供一种用于三芯电缆的高能量密度磁场能量收集系统，如图6所示，包括：第一半波整流升压电路、第二半波整流升压电路、能量收集管理芯片4和实施例1所述的装置。

装置中在三段铁芯2上沿三芯电缆的轴向方向缠绕的感应线圈1均连接第一半波整流升压电路；装置中在三段铁芯2上沿三芯电缆的半径方向缠绕的感应线圈1均连接第二半波整流升压电路。第一半波整流升压电路和第二半波整流升压电路串联后连接能量收集管理芯片4。第一半波整流升压电路用于将沿三芯电缆的轴向方向缠绕的感应线圈1的感应电压升压并转换为第一直流电压。第二半波整流升压电路用于将沿三芯电缆的半径方向缠绕的感应线圈1的感应电压升压并转换为第二直流电压。能量收集管理芯片4用于收集第一直流电压和第二直流电压串联后的总直流电压，并输出稳定的总直流电压。

图7为本发明实施例2提供的半波整流升压电路的示意图。半波整流升压电路3包括第一半波整流升压电路和第二半波整流升压电路。半波整流升压电路3实现感应电压AC/DC转化并升压，每一个感应线圈1都输出一个感应电压，分别为E

第一半波整流升压电路包括：第一电阻R

第一电阻R

第二半波整流升压电路包括：第四电阻R

第四电阻R

第一电容C

如图9所示，电缆电流为200A，线圈匝数为300匝，铁芯2的磁导率为5000情况下，通过仿真软件计算得到E

参照图6，在沿三芯电缆的轴向方向缠绕的感应线圈1与第一半波整流升压电路之间，以及沿三芯电缆的半径方向缠绕的感应线圈1与第二半波整流升压电路之间均设置有过电压保护电路5，过电压保护电路5为用于进行限压保护的双向瞬变电压抑制二极管，用于在短路工况或雷击电流情况下保护后续能量管理电路。

示例性的，能量收集管理芯片4的型号为LTC3331。两组线圈经过半波整流升压电路3后串联输入到能量收集管理芯片LTC3331，最终实现3.3/5V电压的稳定输出。如图8所示。能量收集管理芯片4采用LTC3331芯片，具有输入优先排序器的双输入、单输出DC/DC转换器，能量收集输入：3.0V至18V降压型DC/DC转换器，主电池输入：1.8V至5.5V降压-升压型DC/DC转换器，可以在电缆电流宽范围工况下实现整个取能装置的稳定输出。LTC3331能量收集芯片集成了一个高电压能量收集电源和一个由主电池供电的DC/DC转换器，由一个集成型全波桥式整流器和一个高电压降压型转换器组成的能量收集电源负责从压电源、太阳能或磁源收集能量。主电池输入用于为一个可在其输入端电压低至1.8V时正常运作的降压-升压型转换器供电。任一DC/DC转换器皆能给单个输出提供电能。降压型转换器可在收集能量可用的情况下运作，因而能够把从电池吸收的静态电流减小至基本为零。降压-升压型转换器仅在收集能量消失时向V

本发明深入分析了三芯电缆周围的磁场分布，提出一种高能量密度的能量收集装置，可以在三芯电缆宽工作范围内实现有效能量收集，从而供给电缆的各种传感器足够的电能，对电力电缆分布式无线传感器网络的能量供给提出解决方案，具有广泛的实际意义。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。