對于電力傳輸網(wǎng)絡，高壓架空電力線是非常重要的。由于溫度變化、老化效應和積冰，導體的下垂可能導致危險情況和巨大的維護成本。因此，監(jiān)測架空電力線的狀況、干擾、故障為確保電力線輸電網(wǎng)絡的正常運行，對電力線的電壓和下垂是至關重要的。一些關鍵參數(shù)，如環(huán)境溫度和線路電流可能會影響到架空電力線的可操作性和可用性。

隨著無線通信技術的發(fā)展，廉價和超低功率的無線傳感器已經(jīng)被開發(fā)出來，可以應用于監(jiān)測這些重要的參數(shù)。然而，為傳感系統(tǒng)供電的電池的有限壽命成為一個瓶頸，因為定期更換這些電池的成本很高。因此，能量收集技術是一個有吸引力和有前途的解決方案，可以使系統(tǒng)監(jiān)測自我維持[。有幾種環(huán)境能源（太陽能、風能、電磁能等）。太陽能電池板是一個很好的選擇，可以在良好的天氣條件下在白天收集能量。這項技術相對成熟，市場上已經(jīng)有很多產(chǎn)品。然而，太陽能設備嚴重依賴天氣條件，可能需要額外的高容量儲能裝置，而這些裝置通常很昂貴，以便在夜間工作。

類似的情況也適用于小型風力渦輪機。此外，惡劣的天氣條件，如冰雹和風暴可能會損壞渦輪機葉片和太陽能電池板。在高壓電線附近，會產(chǎn)生強大的電磁場，這可能是無線傳感器的一個穩(wěn)定的能量來源。最近，一些能量收集裝置被開發(fā)出來，以收集來自架空電力線的電或磁場能量。

這些設備都被包裹在電力線上，如圖所示，以提供一系列的無線測量，如導體溫度、線路下垂和環(huán)境溫度。所有這些設計的一個限制是，這些設備必須安裝在架空電力線上。這限制了傳感器的尺寸和重量，因為這將進一步增加線路的下垂。架空電力線附近的實時氣象數(shù)據(jù)（如風速、濕度和空氣溫度）是動態(tài)熱力評級技術，與傳統(tǒng)的靜態(tài)評級相比，可以大大增加傳輸能力。通常情況下，與溫度和濕度傳感器相比，帶有風傳感器的氣象站的尺寸相對較大。此外，它需要安裝在一個固定的物體上以保持其靜止。

因此，將氣象站連接到安裝在電力線上的傳統(tǒng)能量收集器幾乎是不現(xiàn)實的。一個放置在電力線以外的能量收集裝置，如圖所示的地面上，可以克服這些缺點。此外，這種獨立的能量收集器可以很容易地與太陽能電池板或風力渦輪機相結合，形成一個可靠和高效的能量收集系統(tǒng)。

電力線下的磁通密度

磁通密度并不是超過地面附近的監(jiān)管水平。顯然，對于不同種類的鐵塔，架空電力線的物理結構及其相應的典型線路電流是不同的，從而導致不同的磁通密度。英國國家電網(wǎng)公司對各種鐵塔下的平均磁通密度進行了深入研究。除了電流之外，磁通密度還受到一些外部因素的影響，如空氣濕度、線路下陷和不平衡的三相電流。

架空電力線下的磁通密度在不同的時間會有很大的變化。因此，平均測量結果更有意義。國家電網(wǎng)公司已經(jīng)提供了400千伏L12架空電力線下的磁通密度平均值。他們的測量結果顯示在圖中。磁通密度隨著與架空電力導線中心線的水平距離增加而降低。當測量高度為離地1米時，磁通密度約為6μTrms。

能量收割機的設計

在50赫茲，采集磁能的**方法是采用通常包裹在鐵磁芯上的線圈。盡管能量采集線圈可能離架空電力線超過10米，但由于50赫茲電磁波的波長極長，它仍然是一個電感耦合系統(tǒng)。因此，線圈所能采集的**功率并不**取決于周圍的磁場，還取決于諸如線圈的有效電阻和優(yōu)化負載。

圖中顯示的是一個采集線圈的等效電路，該線圈連接有一個補償電容器和一個具有相同R值的負載電阻；通過應用法拉第定律,：（1）Vcoil是交流波形的峰值，N是線圈上繞組的圈數(shù)，Bex是外部的施加在線圈上的磁通密度，單位為T，A代表線圈的有效截面，單位是m2，ω是角頻率，單位是rad/s，得到fiS是與磁芯材料和磁芯幾何形狀有關的有效磁導率。有效的線圈電阻Rcoil，由兩部分組成：銅電阻和等效鐵芯電阻。銅電阻是由繞在鐵芯上的長漆包線的電阻引起的。p是銅線的電阻率，單位Ω/m，lwire是漆包線的總長度，單位m。受到時變磁場的影響，一些要傳遞給負載的功率會在鐵芯中損失，并以熱量的形式散失，這些損失可被視為等效的磁芯電阻。為了提供從線圈到負載的**功率，采用了**功率傳輸理論。

因此，需要對鐵芯形狀進行優(yōu)化，以減少消磁系數(shù)。我們通過使用一個帶有鐵磁芯的螺線管來收集變電站的磁場能量。結論是，一個細長的螺線管可以有很大的有效磁導率。然而，一個非常長而薄的螺線管可能不是**的解決方案：雖然它的體積可能不大，但由于它的長度，它仍然會占據(jù)太多的空間。

此外，長而薄的鐵磁棒很脆，容易損壞。因此，我們進一步提出了一種新穎的弓形鐵芯，如圖所示，它的退磁系數(shù)很低。鐵芯的兩端像弓形領帶一樣被加寬。選擇這種形狀來降低退磁系數(shù)有兩個主要原因：1、根據(jù)高斯的磁學定律，表面越大的兩端的區(qū)域可以引導更多的磁通量從空氣中進入鐵磁性的核心。這就加強了鐵芯中間繞線處的磁化作用。2、當這種弓形鐵芯被磁化時，南極和北極主要是在末端表面形成的。隨著表面的增加，南極和北極之間的分離也因此增加，這導致弓形鐵芯中間的退磁場減少。

為了驗證這兩個論點，圖中描述的四個磁芯在由亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的同一均勻磁場中進行了測試。它們都有以下配置供比較：1、同樣的長度為15厘米；2、一個理想的磁芯材料，其相對磁導率為μr，而電導率為零；3.鐵芯上的繞組編號為N-100；4、放在同一交變磁場區(qū)。因此，可以進行公平的比較，觀察對北極和南極之間不同分離的影響。由于鐵芯材料的導電性被有意設定為零，鐵芯內(nèi)部的渦流可以被消除。因此，我們可以專注于不同磁芯形狀的磁特性。

CSTEMStudio被用來作為仿真工具。一個大的亥姆霍茲線圈被建立起來，以產(chǎn)生一個均勻的磁場區(qū)域，被測試的磁芯就放在那里。邊界條件被設置為“開放”以模擬自由空間。

圖中顯示了當相對磁導率先生被配置為2000時，四個磁芯內(nèi)部的模擬磁通密度B。通過增加南北兩極之間的分離，可以減少退磁系數(shù)，從而增加功率輸出。然而，采集線圈的功率密度不僅取決于模式，而且還取決于有效橫截面積和線圈電阻。由于使用了理想的核心材料，線圈電阻由銅電阻決定。

如果使用直徑為0.14毫米、電阻率為1.11Ω/m的漆包線，銅電阻的計算結果如表I所示。如表一所示，弓形鐵芯由于其小的內(nèi)半徑f而具有**的銅電阻，這導致了**的輸出功率，盡管其體積比（a）小得多，并且由于匝數(shù)小，輸出功率也很低。繞組特性和輸出功率之間的關系將在后面討論。

如圖所示，當μr=2000時，弓形鐵芯的功率密度是啞鈴形鐵芯的1.5倍。因此，與其他磁芯相比，弓形磁芯顯示出**的性能。對弓形結構的核心部分進行了參數(shù)化研究當體積和長度固定時，輸出功率**化。外半徑和內(nèi)半徑在**范圍內(nèi)進行調(diào)整，而高度h則相應配置，以保持磁芯體積和長度不變。從理論上講，當外半徑增加時，更多的磁通可以被引導到磁芯中，在兩端形成的表面磁極被進一步分開。因此，更大的外半徑可能產(chǎn)生更高的電壓。

圖中顯示了仿真結果。隨著內(nèi)半徑fi"的增加，線圈電壓略有增加。盡管如此，較小的內(nèi)半徑會有較低的銅電阻。

因此，如圖所示，具有較大外半徑、較小內(nèi)半徑的弓形鐵芯可以具有較高的功率密度。

值得注意的是，磁芯材料對采集線圈的性能有巨大的影響。對用不同的核心材料采集磁場能量進行了研究。結論是，納米晶合金（FeSiB）是最合適的材料，它具有非常高的相對磁導率和飽和磁化。然而，他們并沒有考慮到采集線圈不能**包圍導電電流的情況。由于消磁因素，當相對磁導率高于約1.5倍時，有效磁導率就會達到飽和。因此，超高的R不會對Y提供顯著的增量。相反，更重要的是要關注減少磁芯的損失。一般來說，磁芯損失可分為磁滯損失和渦流損失。通過使用低矯頑力的軟鐵磁材料，由于磁場較弱和頻率**，本應用中的磁滯損失要比渦流損失小得多。

使用鑄鐵作為磁芯材料，該裝置遭受了很大的渦流損耗。他們的測量結果表明，有效的線圈電阻高達33k?,，由渦流損耗主導。因此，必須使渦流**化，以使輸送到負載的功率輸出**化。計算渦流損失的功率消耗的方程式是：（2）其中S是橫截面，單位為m2；Bin是磁芯內(nèi)的磁通密度，單位為T；p是材料電阻率，單位為?/m，k是形狀系數(shù)。

我們使用不銹鋼作為弓形線圈的參考核心材料，其相對磁導率接近2000，電導率約為2.17x106S/m。由于核心材料成為導電材料，所以當它被放置于交變的磁場。仿真結果表明，與電導率為零時的7.6mV相比，開路電壓降低到5.9mV。

圖中顯示了弓形線圈的復數(shù)開路電壓與鐵芯導電性的關系。當電導率為零時，開路電壓只包含虛數(shù)部分，代表可以耦合到負載的電壓。當電導率從零增加時，開路電壓的實數(shù)部分出現(xiàn)，這是由于鐵芯內(nèi)部的渦流損耗造成的，**以熱量的形式耗散。總而言之，正確的核心材料應該有兩個主要特點：1、具有相對磁導率的鐵磁材料2、具有**的傳導性。

根據(jù)這些要求，鐵氧體似乎是最合適的材料。Mn-Zn軟鐵氧體可以有相對的滲透率在2,000到18,000之間，超低的電導率低于0.5S/m。相比之下，納米晶體合金的電導率通常高于7х105S/m。當鐵氧體被用作核心材料時，電流密度會變成幾微安培/平方英寸。

電流密度變?yōu)槊科椒接⒋鐢?shù)個微安培如圖所示。因此，渦流被大大減少，大部分渦流都是由鐵氧體負載。首先，將固定直徑為0.14毫米、電阻率為1.11?/m的漆包線纏繞在兩個尺寸相同的鐵氧體磁芯上。

圖中顯示了功率輸出與繞組數(shù)的關系，這表明兩個線圈的功率輸出隨著繞組數(shù)的增加而增加。然而，當匝數(shù)非常大時，由于鐵芯上的層數(shù)太多，功率就會飽和。在這種情況下，鐵芯上每增加一圈就需要更長的電線，并導致更大的電阻。在實際中，不可能在這么小的線圈上纏繞100萬匝漆包線。

其次，通過給出8x10-4m3的固定空間，將不同直徑的導線**纏繞在弓形鐵芯上，其相應的功率輸出繪制在圖中。隨著直徑的增加，由于固定空間的原因，匝數(shù)減少，而功率輸出卻沒有明顯的變化。因此，線圈的輸出功率并不取決于所用漆包線的類型，而是取決于漆包線所占的體積。從財務角度來看，直徑較大的漆包線是**，因為其單價較低。從功率傳輸?shù)慕嵌葋砜?，直徑較小的漆包線更好，它可以獲得更高的繞組數(shù)，從而獲得更高的線圈電壓。當線圈連接到整流電路時，高線圈電壓可以降低整流二極管上的功率耗散，從而提高功率傳輸效率?？傊?，為了提高能量采集系統(tǒng)的輸出功率，**采用細線，而且繞組匝數(shù)應盡可能大。

實驗驗證和結果

一個亥姆霍茲線圈（由兩個相同的線圈環(huán)組成）被用來產(chǎn)生一個均勻的磁場，以模仿架空電力線下的環(huán)境。每個線圈環(huán)的直徑為1米，上面有33圈導電線，兩個線圈環(huán)相隔半米。當120mArms的電流通過亥姆霍茲線圈時，會產(chǎn)生7μTrms的磁通密度。一個弓形線圈和一個制作了具有相同體積和長度的螺線管。

上圖顯示了試樣及其尺寸。Mn-Zn鐵氧體被用作核心材料，相對磁導率為2300+25%，電導率為0.154S/m。將兩個線圈放入亥姆霍茲線圈，用萬用表測量其開路電壓。

如圖所示，測量結果與模擬結果進行了比較。從測量結果來看，弓形線圈的電壓是螺線管的1.5倍。我們注意到，仿真結果高于實驗值。這應該主要是由制造的鐵氧體磁芯的誤差造成的。首先，鐵氧體的相對磁導率在1700到2900之間，這可能給實驗帶來一些不確定性。其次，由于弓形線圈的特殊幾何形狀，整塊制造這種鐵氧體磁芯是很困難和昂貴的。

相反，如圖所示，我們制作了五塊鐵氧體磁芯，然后把它們粘在一起。因此，每個接觸面都可能存在空隙。在這種情況下，磁芯中的磁通量和有效磁導率都會降低，因為驅動相同的磁通量通過氣隙比通過同等體積的鐵氧體需要更多的能量。隨著氣隙的增加，有效磁導率將進一步降低。當引入0.05毫米的氣隙時，模擬結果顯示，平均有效磁導率從128下降到108，其相應的線圈電壓也接近測量值。有效的線圈電阻可以通過50赫茲電橋測量。通過調(diào)整電容器和負載電阻，可以使負載上的功率輸出達到**。

在這種情況下，根據(jù)**功率傳輸理論，有效線圈電阻應與負載電阻相同。用多用表測量銅電阻，結果列于表二。它們表明銅的電阻在有效線圈電阻中占主導地位，證明渦流損失是**的。

然后將測量結果與理論值進行比較，如圖所示。在相同的繞組數(shù)下，領結線圈的銅電阻要比螺線管的小。至于這種新穎的領結式線圈，銅線是繞在其半徑較小的中間部分。因此，用短的漆包線可以達到相同的匝數(shù)，從而使銅電阻變小。測量值比理論值要高。由于這兩個線圈由于需要特殊的固定裝置，不能用全自動的線圈繞線機繞制。因此，繞組沒有**對齊，這導致更長的電線來實現(xiàn)相同的匝數(shù)，從而導致測量值和理論值之間的差異。

在弓形鐵芯上繞40,000圈，在理想情況下，當漆包線**對齊時，圖中所示的繞組直徑將是4.74厘米。然而，測量結果是5.5厘米，這意味著在實踐中使用了更長的電線。當用氣隙模型來描述線圈電壓時，理論值與實驗結果一致。測量結果表明，從蝴蝶結線圈的輸出功率可以比傳統(tǒng)的40,000圈螺線管的輸出功率大2.5倍。在這種情況下，領結線圈的功率密度為1.86μW/cm3，而放在7μTrms的磁通密度下，螺線管的功率密度為0.53μW/cm3、對于8×10-4m3的固定空間，選擇了三種不同的漆包線來**纏繞在弓形鐵芯上。

它們的參數(shù)和輸出功率顯示在表三中。正如預期的那樣，盡管表三中的其他參數(shù)變化很大，但不同的導線的輸出功率變化不大。

從實驗來看，通過使用具有40000圈的弓形線圈，在負載處收集了360μW，這可能足以為一個小型無線傳感器供電。為了提高線圈對能量饑渴的傳感器的輸出功率，已經(jīng)考慮了三種方法：1、增加弓形線圈的長度和外半徑，以提高有效磁導率。2、把線圈放在離電源線更近的地方，以增加外部磁通密度。3、要增加繞組的圈數(shù)。弓形線圈的長度和外半徑可以變大，平均有效磁導率可以從128增加到615。如果我們在鐵芯上纏繞16萬圈直徑為0.14毫米的漆包線，并將線圈放在離地面5米高的地方，那里的磁通密度通常為11μTrms左右，在這種情況下，估計的輸出功率約為146.7mW，這使得估計的功率密度為103.5μW/cm3。這個數(shù)值與太陽能電池板在一個小時內(nèi)的工作情況相當。

一個GPRS數(shù)據(jù)記錄器的功耗分別為36mW和3.6W。如果氣象站每30分鐘收集一次數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)記錄器最多需要1分鐘將信息傳輸?shù)椒掌?，那么平均功耗將?20毫瓦。動態(tài)熱等級建議氣象站應安裝在塔架頂部或防爬保護裝置上，如圖所示。在這兩種情況下，到地面的高度都大于5米。這意味著大弓形線圈能夠為氣象站和數(shù)據(jù)記錄器供電。

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