西南交通大学研究团队提出非侵入式磁场取能系统功率密度提升新方法
西南交通大学研究团队提出非侵入式磁场取能系统功率密度提升新方法
在能源互联网背景下，对电网自动化、智能化与信息化的要求越来越高。母排在变电站中起电流的汇集、传输与分配作用，对母排进行状态监测是评估其运行情况的重要依据。无线传感器广泛应用在电网的状态监测和数据通信中，其运行依赖于稳定可靠的电源，传统供电方式以电池为主，电池寿命有限，定期更换较为繁琐，非侵入式磁场取能系统是解决变电站母排环境中状态监测传感器电池供电寿命有限的有效手段。
图1 非侵入式磁场取能系统结构图
现有的非侵入式取能系统存在占用空间体积大、磁芯结构复杂和输出功率较小等缺点，无法满足状态监测传感器需求。对于非侵入式磁场取能系统，磁芯与线圈参数对功率密度的影响十分显著。特别是在空间受限的取能场景中，不能通过增大磁芯体积来提高系统功率密度，在此场景下对磁芯与线圈参数的优化显得尤为关键。本文提出的功率密度提升方法可以较好的指导非侵入式磁场取能系统的设计，对监测传感器应用于变电站母排环境有重要意义。
研究方法
本文首先推导基于“H”形磁芯的系统功率密度表达式，明确了功率密度影响因素。“H”型取能结构与绕线方式如图2所示。其次，以功率密度为指标，结合仿真详细分析了线圈匝数、线圈线径、叠片厚度与磁柱侧面边长对系统功率密度的影响，相关仿真结果如图3和图4所示。
图2 “H”型取能磁芯与绕线结构
图3 功率密度随绕线高度与线圈线径变化曲线
图4 功率密度随磁柱边长与叠片厚度变化曲线
结果表明在限定的磁芯尺寸下，功率密度最高点出现在最大绕制匝数处（绕制漆包线与叠片高度齐平），对应的最优线径为0.2mm。在该线圈参数下优化磁芯结构参数，结果表明功率密度随磁柱侧面边长的增加呈先增大后减小的变化趋势，最优磁柱边长为6mm；而叠片厚度越小，功率密度越高，在制作工艺要求内选择1mm。在此基础上提出了设计磁芯与线圈参数最优值的功率密度提升方法。
实验验证
为验证所提出方法提高功率密度的有效性，制作了总尺寸为 30mm×30mm×40mm、不同磁芯与线圈参数的取能装置。搭建的试验平台如图5所示。图6为功率密度度随绕线高度与线圈线径变化曲线。
图5 实验平台搭建
图6 功率密度随绕线高度与线圈线径变化曲线
与仿真分析一致，在限定尺寸下，系统最大功率密度点出现在最大绕制匝数 Nmax与 0.2mm线径处。图7为功率密度随叠片厚度与磁柱侧面边长变化曲线，与仿真分析一致，即在限定尺寸下，磁柱侧面边长存在最优取值6mm，叠片厚度为1mm使系统功率密度最高。优化前后系统输出功率与功率密度对比如图8所示。
系统经磁芯与线圈优化后功率密度可达 4.18mW/cm3，提升至系统优化前功率密度的35 倍，验证了所提出方法提升功率密度的有效性。
图7 功率密度随叠片厚度与磁柱侧面边长变化曲线
图8 系统优化前后输出功率与功率密度对比
本文研究与现有文献对比结果如表1所示，表明“H”型磁芯取能系统优化后的功率密度远高于现有文献成果。
表1 其他文献与本文工作对比
本文贡献
（1）通过仿真分析了线圈匝数、线圈线径、磁柱侧面边长与叠片厚度对系统功率密度的综合影响规律，提出了一种基于磁芯与线圈参数综合优化的功率密度提升方法。
（2）根据综合优化方法，设计了线圈匝数、线圈线径、磁柱侧面边长与叠片厚度的最优值，功率密度得到了显著提升，并远高于现有研究水平。本文提出的功率密度提升方法可以较好的指导非侵入式磁场取能系统参数设计。
结论
针对非侵入式磁场取能系统功率密度较低，且现有方法对磁芯与线圈的分析相对独立的问题，本文提出了一种综合优化磁芯与线圈参数的功率密度提升方法，对于限定磁芯尺寸为30mm×30mm×40mm 的非侵入式磁场取能系统，在100A 母排电流下，系统经磁芯与线圈优化后功率密度可达 4.18mW/cm3，提升至系统优化前功率密度的35 倍，验证了所提出方法提升功率密度的有效性。
该工作发表论文的通讯作者为西南交通大学李勇副教授、硕士生导师，研究方向为无线电能传输与能量收集技术。近年来，以第一/通信作者发表SCI论文40余篇，其中IEEE Trans. 论文34篇，出版学术专著1部（排第3），申请/授权发明专利20项。主持国家重点研发计划青年科学家项目1项，国家自然科学基金2项（面上和青年），四川省杰出青年基金1项。获得教育部技术发明一等奖（排名第3），入选中国科协“青年人才托举工程”、四川省高层次青年人才、2020-2023年连续入选全球前2%顶尖科学家。
该研究得到成都国佳电气工程有限公司项目、西南交通大学新型交叉学科培育基金-前沿科技培育项目、中央高校基本科研业务费专项资金和四川省科技厅苗子工程项目的支持。
参考文献
李勇, 罗海军, 杨环宇, 闫一骅. 基于磁心与线圈参数优化的非侵入式磁场取能系统功率密度提升方法[J]. 电工技术学报, 2024, 39(2): 313-324. Li Yong, Luo Haijun, Yang Huanyu, Yan Yihua. Power Density Improvement Method of Non-Invasive Magnetic Field Energy Harvester System Based on Optimization of Magnetic Core and Coil Parameters. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(2): 313-324.