对于电力传输网络，高压架空电力线是非常重要的。由于温度变化、老化效应和积冰，导体的下垂可能导致危险情况和巨大的维护成本。因此，监测架空电力线的状况、干扰、故障为确保电力线输电网络的正常运行，对电力线的电压和下垂是至关重要的。一些关键参数，如环境温度和线路电流可能会影响到架空电力线的可操作性和可用性。

随着无线通信技术的发展，廉价和超低功率的无线传感器已经被开发出来，可以应用于监测这些重要的参数。然而，为传感系统供电的电池的有限寿命成为一个瓶颈，因为定期更换这些电池的成本很高。因此，能量收集技术是一个有吸引力和有前途的解决方案，可以使系统监测自我维持[。有几种环境能源（太阳能、风能、电磁能等）。太阳能电池板是一个很好的选择，可以在良好的天气条件下在白天收集能量。这项技术相对成熟，市场上已经有很多产品。然而，太阳能设备严重依赖天气条件，可能需要额外的高容量储能装置，而这些装置通常很昂贵，以便在夜间工作。

类似的情况也适用于小型风力涡轮机。此外，恶劣的天气条件，如冰雹和风暴可能会损坏涡轮机叶片和太阳能电池板。在高压电线附近，会产生强大的电磁场，这可能是无线传感器的一个稳定的能量来源。最近，一些能量收集装置被开发出来，以收集来自架空电力线的电或磁场能量。

这些设备都被包裹在电力线上，如图所示，以提供一系列的无线测量，如导体温度、线路下垂和环境温度。所有这些设计的一个限制是，这些设备必须安装在架空电力线上。这限制了传感器的尺寸和重量，因为这将进一步增加线路的下垂。架空电力线附近的实时气象数据（如风速、湿度和空气温度）是动态热力评级技术，与传统的静态评级相比，可以大大增加传输能力。通常情况下，与温度和湿度传感器相比，带有风传感器的气象站的尺寸相对较大。此外，它需要安装在一个固定的物体上以保持其静止。

因此，将气象站连接到安装在电力线上的传统能量收集器几乎是不现实的。一个放置在电力线以外的能量收集装置，如图所示的地面上，可以克服这些缺点。此外，这种独立的能量收集器可以很容易地与太阳能电池板或风力涡轮机相结合，形成一个可靠和高效的能量收集系统。

电力线下的磁通密度

磁通密度并不是超过地面附近的监管水平。显然，对于不同种类的铁塔，架空电力线的物理结构及其相应的典型线路电流是不同的，从而导致不同的磁通密度。英国国家电网公司对各种铁塔下的平均磁通密度进行了深入研究。除了电流之外，磁通密度还受到一些外部因素的影响，如空气湿度、线路下陷和不平衡的三相电流。

架空电力线下的磁通密度在不同的时间会有很大的变化。因此，平均测量结果更有意义。国家电网公司已经提供了400千伏L12架空电力线下的磁通密度平均值。他们的测量结果显示在图中。磁通密度随着与架空电力导线中心线的水平距离增加而降低。当测量高度为离地1米时，磁通密度约为6µTrms。

能量收割机的设计

在50赫兹，采集磁能的**方法是采用通常包裹在铁磁芯上的线圈。尽管能量采集线圈可能离架空电力线超过10米，但由于50赫兹电磁波的波长极长，它仍然是一个电感耦合系统。因此，线圈所能采集的**功率并不**取决于周围的磁场，还取决于诸如线圈的有效电阻和优化负载。

图中显示的是一个采集线圈的等效电路，该线圈连接有一个补偿电容器和一个具有相同R值的负载电阻；通过应用法拉第定律,：（1）Vcoil是交流波形的峰值，N是线圈上绕组的圈数，Bex是外部的施加在线圈上的磁通密度，单位为T，A代表线圈的有效截面，单位是m2，ω是角频率，单位是rad/s，得到fiS是与磁芯材料和磁芯几何形状有关的有效磁导率。有效的线圈电阻Rcoil，由两部分组成：铜电阻和等效铁芯电阻。铜电阻是由绕在铁芯上的长漆包线的电阻引起的。p是铜线的电阻率，单位Ω/m，lwire是漆包线的总长度，单位m。受到时变磁场的影响，一些要传递给负载的功率会在铁芯中损失，并以热量的形式散失，这些损失可被视为等效的磁芯电阻。为了提供从线圈到负载的**功率，采用了**功率传输理论。

因此，需要对铁芯形状进行优化，以减少消磁系数。我们通过使用一个带有铁磁芯的螺线管来收集变电站的磁场能量。结论是，一个细长的螺线管可以有很大的有效磁导率。然而，一个非常长而薄的螺线管可能不是**的解决方案：虽然它的体积可能不大，但由于它的长度，它仍然会占据太多的空间。

此外，长而薄的铁磁棒很脆，容易损坏。因此，我们进一步提出了一种新颖的弓形铁芯，如图所示，它的退磁系数很低。铁芯的两端像弓形领带一样被加宽。选择这种形状来降低退磁系数有两个主要原因：1、根据高斯的磁学定律，表面越大的两端的区域可以引导更多的磁通量从空气中进入铁磁性的核心。这就加强了铁芯中间绕线处的磁化作用。2、当这种弓形铁芯被磁化时，南极和北极主要是在末端表面形成的。随着表面的增加，南极和北极之间的分离也因此增加，这导致弓形铁芯中间的退磁场减少。

为了验证这两个论点，图中描述的四个磁芯在由亥姆霍兹线圈产生的同一均匀磁场中进行了测试。它们都有以下配置供比较：1、同样的长度为15厘米；2、一个理想的磁芯材料，其相对磁导率为μr，而电导率为零；3.铁芯上的绕组编号为N-100；4、放在同一交变磁场区。因此，可以进行公平的比较，观察对北极和南极之间不同分离的影响。由于铁芯材料的导电性被有意设定为零，铁芯内部的涡流可以被消除。因此，我们可以专注于不同磁芯形状的磁特性。

CSTEMStudio被用来作为仿真工具。一个大的亥姆霍兹线圈被建立起来，以产生一个均匀的磁场区域，被测试的磁芯就放在那里。边界条件被设置为“开放”以模拟自由空间。

图中显示了当相对磁导率先生被配置为2000时，四个磁芯内部的模拟磁通密度B。通过增加南北两极之间的分离，可以减少退磁系数，从而增加功率输出。然而，采集线圈的功率密度不仅取决于模式，而且还取决于有效横截面积和线圈电阻。由于使用了理想的核心材料，线圈电阻由铜电阻决定。

如果使用直径为0.14毫米、电阻率为1.11Ω/m的漆包线，铜电阻的计算结果如表I所示。如表一所示，弓形铁芯由于其小的内半径f而具有**的铜电阻，这导致了**的输出功率，尽管其体积比（a）小得多，并且由于匝数小，输出功率也很低。绕组特性和输出功率之间的关系将在后面讨论。

如图所示，当µr=2000时，弓形铁芯的功率密度是哑铃形铁芯的1.5倍。因此，与其他磁芯相比，弓形磁芯显示出**的性能。对弓形结构的核心部分进行了参数化研究当体积和长度固定时，输出功率**化。外半径和内半径在**范围内进行调整，而高度h则相应配置，以保持磁芯体积和长度不变。从理论上讲，当外半径增加时，更多的磁通可以被引导到磁芯中，在两端形成的表面磁极被进一步分开。因此，更大的外半径可能产生更高的电压。

图中显示了仿真结果。随着内半径fi"的增加，线圈电压略有增加。尽管如此，较小的内半径会有较低的铜电阻。

因此，如图所示，具有较大外半径、较小内半径的弓形铁芯可以具有较高的功率密度。

值得注意的是，磁芯材料对采集线圈的性能有巨大的影响。对用不同的核心材料采集磁场能量进行了研究。结论是，纳米晶合金（FeSiB）是最合适的材料，它具有非常高的相对磁导率和饱和磁化。然而，他们并没有考虑到采集线圈不能**包围导电电流的情况。由于消磁因素，当相对磁导率高于约1.5倍时，有效磁导率就会达到饱和。因此，超高的R不会对Y提供显著的增量。相反，更重要的是要关注减少磁芯的损失。一般来说，磁芯损失可分为磁滞损失和涡流损失。通过使用低矫顽力的软铁磁材料，由于磁场较弱和频率**，本应用中的磁滞损失要比涡流损失小得多。

使用铸铁作为磁芯材料，该装置遭受了很大的涡流损耗。他们的测量结果表明，有效的线圈电阻高达33kΩ,，由涡流损耗主导。因此，必须使涡流**化，以使输送到负载的功率输出**化。计算涡流损失的功率消耗的方程式是：（2）其中S是横截面，单位为m2；Bin是磁芯内的磁通密度，单位为T；p是材料电阻率，单位为Ω/m，k是形状系数。

我们使用不锈钢作为弓形线圈的参考核心材料，其相对磁导率接近2000，电导率约为2.17x106S/m。由于核心材料成为导电材料，所以当它被放置于交变的磁场。仿真结果表明，与电导率为零时的7.6mV相比，开路电压降低到5.9mV。

图中显示了弓形线圈的复数开路电压与铁芯导电性的关系。当电导率为零时，开路电压只包含虚数部分，代表可以耦合到负载的电压。当电导率从零增加时，开路电压的实数部分出现，这是由于铁芯内部的涡流损耗造成的，**以热量的形式耗散。总而言之，正确的核心材料应该有两个主要特点：1、具有相对磁导率的铁磁材料2、具有**的传导性。

根据这些要求，铁氧体似乎是最合适的材料。Mn-Zn软铁氧体可以有相对的渗透率在2,000到18,000之间，超低的电导率低于0.5S/m。相比之下，纳米晶体合金的电导率通常高于7х105S/m。当铁氧体被用作核心材料时，电流密度会变成几微安培/平方英寸。

电流密度变为每平方英寸数个微安培如图所示。因此，涡流被大大减少，大部分涡流都是由铁氧体负载。首先，将固定直径为0.14毫米、电阻率为1.11Ω/m的漆包线缠绕在两个尺寸相同的铁氧体磁芯上。

图中显示了功率输出与绕组数的关系，这表明两个线圈的功率输出随着绕组数的增加而增加。然而，当匝数非常大时，由于铁芯上的层数太多，功率就会饱和。在这种情况下，铁芯上每增加一圈就需要更长的电线，并导致更大的电阻。在实际中，不可能在这么小的线圈上缠绕100万匝漆包线。

其次，通过给出8x10-4m3的固定空间，将不同直径的导线**缠绕在弓形铁芯上，其相应的功率输出绘制在图中。随着直径的增加，由于固定空间的原因，匝数减少，而功率输出却没有明显的变化。因此，线圈的输出功率并不取决于所用漆包线的类型，而是取决于漆包线所占的体积。从财务角度来看，直径较大的漆包线是**，因为其单价较低。从功率传输的角度来看，直径较小的漆包线更好，它可以获得更高的绕组数，从而获得更高的线圈电压。当线圈连接到整流电路时，高线圈电压可以降低整流二极管上的功率耗散，从而提高功率传输效率。总之，为了提高能量采集系统的输出功率，**采用细线，而且绕组匝数应尽可能大。

实验验证和结果

一个亥姆霍兹线圈（由两个相同的线圈环组成）被用来产生一个均匀的磁场，以模仿架空电力线下的环境。每个线圈环的直径为1米，上面有33圈导电线，两个线圈环相隔半米。当120mArms的电流通过亥姆霍兹线圈时，会产生7µTrms的磁通密度。一个弓形线圈和一个制作了具有相同体积和长度的螺线管。

上图显示了试样及其尺寸。Mn-Zn铁氧体被用作核心材料，相对磁导率为2300+25%，电导率为0.154S/m。将两个线圈放入亥姆霍兹线圈，用万用表测量其开路电压。

如图所示，测量结果与模拟结果进行了比较。从测量结果来看，弓形线圈的电压是螺线管的1.5倍。我们注意到，仿真结果高于实验值。这应该主要是由制造的铁氧体磁芯的误差造成的。首先，铁氧体的相对磁导率在1700到2900之间，这可能给实验带来一些不确定性。其次，由于弓形线圈的特殊几何形状，整块制造这种铁氧体磁芯是很困难和昂贵的。

相反，如图所示，我们制作了五块铁氧体磁芯，然后把它们粘在一起。因此，每个接触面都可能存在空隙。在这种情况下，磁芯中的磁通量和有效磁导率都会降低，因为驱动相同的磁通量通过气隙比通过同等体积的铁氧体需要更多的能量。随着气隙的增加，有效磁导率将进一步降低。当引入0.05毫米的气隙时，模拟结果显示，平均有效磁导率从128下降到108，其相应的线圈电压也接近测量值。有效的线圈电阻可以通过50赫兹电桥测量。通过调整电容器和负载电阻，可以使负载上的功率输出达到**。

在这种情况下，根据**功率传输理论，有效线圈电阻应与负载电阻相同。用多用表测量铜电阻，结果列于表二。它们表明铜的电阻在有效线圈电阻中占主导地位，证明涡流损失是**的。

然后将测量结果与理论值进行比较，如图所示。在相同的绕组数下，领结线圈的铜电阻要比螺线管的小。至于这种新颖的领结式线圈，铜线是绕在其半径较小的中间部分。因此，用短的漆包线可以达到相同的匝数，从而使铜电阻变小。测量值比理论值要高。由于这两个线圈由于需要特殊的固定装置，不能用全自动的线圈绕线机绕制。因此，绕组没有**对齐，这导致更长的电线来实现相同的匝数，从而导致测量值和理论值之间的差异。

在弓形铁芯上绕40,000圈，在理想情况下，当漆包线**对齐时，图中所示的绕组直径将是4.74厘米。然而，测量结果是5.5厘米，这意味着在实践中使用了更长的电线。当用气隙模型来描述线圈电压时，理论值与实验结果一致。测量结果表明，从蝴蝶结线圈的输出功率可以比传统的40,000圈螺线管的输出功率大2.5倍。在这种情况下，领结线圈的功率密度为1.86µW/cm3，而放在7µTrms的磁通密度下，螺线管的功率密度为0.53µW/cm3、对于8×10-4m3的固定空间，选择了三种不同的漆包线来**缠绕在弓形铁芯上。

它们的参数和输出功率显示在表三中。正如预期的那样，尽管表三中的其他参数变化很大，但不同的导线的输出功率变化不大。

从实验来看，通过使用具有40000圈的弓形线圈，在负载处收集了360µW，这可能足以为一个小型无线传感器供电。为了提高线圈对能量饥渴的传感器的输出功率，已经考虑了三种方法：1、增加弓形线圈的长度和外半径，以提高有效磁导率。2、把线圈放在离电源线更近的地方，以增加外部磁通密度。3、要增加绕组的圈数。弓形线圈的长度和外半径可以变大，平均有效磁导率可以从128增加到615。如果我们在铁芯上缠绕16万圈直径为0.14毫米的漆包线，并将线圈放在离地面5米高的地方，那里的磁通密度通常为11µTrms左右，在这种情况下，估计的输出功率约为146.7mW，这使得估计的功率密度为103.5µW/cm3。这个数值与太阳能电池板在一个小时内的工作情况相当。

一个GPRS数据记录器的功耗分别为36mW和3.6W。如果气象站每30分钟收集一次数据，而数据记录器最多需要1分钟将信息传输到服务器，那么平均功耗将是120毫瓦。动态热等级建议气象站应安装在塔架顶部或防爬保护装置上，如图所示。在这两种情况下，到地面的高度都大于5米。这意味着大弓形线圈能够为气象站和数据记录器供电。

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