空间磁能无线集能转换器技术研究

发布时间：2020-05-16 14:39

【摘要】：无线传感器网络是由监控区域内部署的多个传感器节点互相通信形成的网络系统。但是在目前的技术条件下,传感器节点只能依赖电池的供电进行工作,这意味着当无法及时提供外界能量的时候,传感器网络会耗尽寿命从而停止工作运行。所以,关于如何延长无线传感器网络的工作时间是研究领域中的一个长期热点和难点。而在多种无线集能技术中,基于空间磁能的集能技术对于无线传感器网络的应用和智能电网的发展具有极大的促进作用,在未来具有广阔的应用前景。在智能电网尤其是高压变电站中,磁场分量丰富。为了将磁能转换为电能以供无线传感器供电,本文建立了圆柱型环绕式磁能转换器拓扑的数学分析模型,并从磁性骨架材料、磁性骨架结构参数和集能线圈的匝数三个方面优化其感应电动势的数值,从而得到圆柱型环绕式磁能转换器的设计原则并进行仿真验证,结果验证了磁能转换器的良好工作性能。提出了一种改进的球型环绕式磁能转换器,研究了其内外半径的大小变化对其集能效果的影响,对比了两种环绕式磁能转换器的集能能力,验证了球型模型的高效性,并给出了优化效果最好时的结构条件,最后经过仿真验证了理论的正确性。考虑实际中磁场源无法穿过能转换器内部的情况,提出了分离式磁能转换器的拓扑结构,建立了分离式磁能转换器的数学分析模型,并从集能线圈匝数、骨架材料相对磁导率、空间磁感应强度和铁芯骨架的结构等四个方面对集能转换器的感应电动势进行优化分析,最终的仿真结果对实际应用具有指导性的意义。为了解决传统智能电网用无线集能装置调理单元能量转换效率较低,输出电压不稳定的缺陷。设计了一种集能加速调理单元以及反激式电路稳压调理单元,使能量转换效率和电压稳定性都有了显著提高,保证了无线传感器的稳定工作,性能明显优于传统的调理电路,更加适用于智能电网用无线集能装置能量的转换与利用,对集能转换器在智能电网中的应用和发展起到了促进作用。
【图文】：

目标函数,磁化特性曲线,载流导体,软磁材料

令６＝０逦０，ｒ是外直径和内径的差。方程的目标函数可表示为：逡逑（＾）逡逑目标函数Ｊ是变量／的二元函数。结果如图２．３所示，目标函数ｄ的最大值逡逑在寻优结果边界点。即当变量ａ是最小值时，，ｄ取得最大值。逡逑１２逡逑

全局寻优

那么我们在优化过程中将内径设置在０．５厘米到１０厘米之间变化。逡逑当内径ａ分别为０．５厘米、１厘米、２厘米、３厘米时，Ｊ与／之间的关系曲线如逡逑图２．４所示。逡逑２邋■邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋—．邋．邋＿逦邋■邋■逡逑逦逡逑＂■２逦，ｔｏｎ逡逑＾邋Ｉ逦—逦？逡逑Ｉ邋：逦：逡逑Ｍ邋＼逦■逡逑ＵＩ３邋＼逦■逡逑ＭＶ邋＼逦．逡逑似＇．一一一逦■逡逑卜、－１逦＿邋－邋＿逦｜逡逑ｕ邋１邋ｔ／ｔｍａ逦４逦５逦０邋ｆ逦ａ邋ａ逦：。逡逑图２．４邋Ａ随ｔ变化曲线图逡逑当磁性骨架体积保持不变时，圆柱型环绕式磁能转换器骨架结构参数的优化逡逑问题就可以转化为以底面内径和外径为变量的二元函数的求极值问题。从图２．４逡逑可以看出，如果固定变量ａ不变，那么优化函数的值随着ｆ的增加而减小，当逡逑和ｆ的值最小时，这时候ｄ能够取得最大值。逡逑根据上述分析得出结论，在制造条件允许的范围内，磁性骨架底面的内外径逡逑应越小越好。而当磁性骨架体积不变时，将内径和外径设置的越小，其高度就逡逑越大。这符合前面公式中感应电动势与高度成正比的结论［５７＿５８］。逡逑（３）集能线圈匝数逡逑根据公式（２－３）感应线圈的感应电动势与其匝数７Ｖ的值成正比，所以，如逡逑果制造工艺允许
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM619

【参考文献】