一种三相电缆取电装置的制作方法

1.本发明涉及一种三相电缆取电装置，属于电力系统取能技术领域。


背景技术：

2.三相交流电是电能传输的一种形式，简称三相电，三相交流电源是由三个振幅相等、频率相等、相角依次相差120
°
的交流电势组成的电源，相比于单相交流电，三相交流电在发电以及电能传输等方面具有显著的优势。
3.对于单相与两相电力电缆的取能，由于其生成的磁感应强度规律，磁感线形状简单规则，国内外已经有了较多的研究，也取得了较多的研究成果。对于三相电力电缆，如专利cn108494107a，使用三分裂线圈进行取电，但是由于磁路分散，取能效率较低。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种三相电缆取电装置，解决了现有装置取能效率低的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
6.一种三相电缆取电装置，包括磁芯，磁芯上饶有线圈，磁芯扣在三相电缆上，并且磁芯磁路的两端均连接三相电缆，三相电缆与磁芯磁路连接位置的磁矢量位于优选范围内，三相电缆其他位置的磁矢量均小于优选范围内的磁矢量。
7.三相电缆与磁芯磁路两端的连接位置分别为：三相电缆任一相径向对称线的左30
°
到75
°
、三相电缆任一相径向对称线的右30
°
到75
°
。
8.三相电缆与磁芯磁路两端的连接位置分别为：三相电缆任一相径向对称线的左60
°
、三相电缆任一相径向对称线的右60
°
。
9.磁芯的曲率范围为1/3.8r到无穷大；其中，r为三相电缆外圆半径。
10.磁芯为c型磁芯、d型磁芯、π型磁芯、ω型磁芯或型磁芯。
11.磁芯为软磁材料的磁芯。
12.线圈位于磁芯中部，并且沿磁芯的对称线对称分布。
13.线圈的匝数为3000匝～15000匝，线圈的外径为0.01mm～0.6mm。
14.磁芯磁路的端部通过磁导率为1的材料连接三相电缆。
15.本发明所达到的有益效果：本发明三相电缆与磁芯磁路连接位置的磁矢量位于优选范围内，磁感线不会分散，流过磁芯的磁通量大，有效提高了取能效率。
附图说明
16.图1为本发明第一种实施的结构示意图；
17.图2为三相电缆与磁芯磁路连接位置的范围；
18.图3为本发明第二种实施的结构示意图；
19.图4为本发明第三种实施的结构示意图；
20.图5为本发明第四种实施的结构示意图；
21.图6为本发明第五种实施的结构示意图；
22.图7为电磁场有限元分析的模型图；
23.图8为三相电缆每相100a，缠绕11000匝左右线圈的输出电压随时间变化的特性曲线。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
25.如图1所示，一种三相电缆取电装置，包括磁芯，磁芯上饶有线圈，磁芯扣在三相电缆上，并且磁芯磁路的两端均连接三相电缆，主要与三相电缆外表面连接，三相电缆与磁芯磁路连接位置的磁矢量位于优选范围内，三相电缆其他位置的磁矢量均小于优选范围内的磁矢量。
26.上述装置的三相电缆与磁芯磁路连接位置的磁矢量位于优选范围内，磁感线不会分散，流过磁芯的磁通量大，有效提高了取能效率。
27.由于三相电缆磁场叠加后变化较大，磁感应强度复杂，因此这里选择磁矢量较强的区域连接磁芯磁路。通过麦克斯韦方程
[0028][0029]
推导出微分形式的有限元磁感应强度，通过仿真可知，如图2所示，优选范围为：三相电缆任一相径向对称线的左30
°
到75
°
、三相电缆任一相径向对称线的右30
°
到75
°
；在该范围内三相电缆的磁矢量明显强于其他位置的磁矢量，其中，三相电缆任一相的左60
°
和三相电缆任一相的右60
°
为最优的位置。
[0030]
图1中采用的磁芯为最常用的c型磁芯，以c型磁芯为基础，对磁芯形状进行进一步演化仿真，可以看出图3的d型磁芯、图4的π型磁芯、图5的ω型磁芯、图6的型磁芯均适用上述装置。
[0031]
从几种结构可以看出，磁芯不管是何种结构，需要满足曲率范围为1/3.8r到无穷大、且连接在优选范围内即可；其中，r为三相电缆外圆半径。
[0032]
磁芯的材料可选用硅钢片，锰锌铁氧体，坡莫合金，纳米晶等软磁材料。
[0033]
一个较优的取能装置，不仅要有较高的取能效率，还要保证其输出电压和输出功率较高，这两个数值与磁芯所绕线圈的匝数和半径相关。
[0034]
以c型磁芯为例，输出电压的公式可以表示为：
[0035][0036]
其中，t为时间，n为线圈匝数，s为法向截面面积，b(t)为磁感应强度
[0037]
输出功率与等效电源阻抗相关，等效电源阻抗越低，输出功率越高，等效电源阻抗用公式可以表示为：
[0038]
[0039]
其中，ρ为制成电阻的材料的电阻率，l为线圈长度,r为漆包线半径。
[0040]
从上述两个公式可以看出，为了获得较高的输出电压和输出功率，需要尽可能增加线圈匝数和线圈的外径，在考虑三相电缆的承载能力以及磁芯容易获取的情况下，因此上述磁芯还需要保证存在适配的空间余量，即磁芯空间余量尽可能的大，这样可以在磁芯缠绕更多的线圈和更粗的线圈。
[0041]
磁芯中线圈的匝数为3000匝～15000匝，最优的匝数为11000匝左右，线圈的外径为0.01mm～0.6mm，最优的外径为0.2mm。
[0042]
磁芯中线圈的缠绕位置为整个磁芯构架，一般位于于磁芯中部，并且沿磁芯的对称线对称分布，这种缠绕方式能够获得最优的取能效果。
[0043]
如图1所示，磁芯需要扣在三相电缆上，为了保证磁芯的稳固，磁芯磁路的端部通过磁导率为1的材料连接三相电缆，例如使用聚氯乙烯塑料外壳固定，用透明胶带、绝缘胶带、布绑等方法。
[0044]
为了验证上述装置，以c型磁芯为例，对每一相的单芯电缆运用毕奥-萨伐尔定律进行有限元分析，将每三芯的在电缆外空间每一点进行矢量合成，通过对每一点的有限元分析，求解三相电缆每一相对该点的磁感应强度。数理方法的二维平面图如图7所示，为任一点的位移矢量，为该点的磁场矢量。
[0045]
对三相电缆的每一相分别通有幅值均为100a，工频为50hz，相角各相差120
°
的三相电流，线圈匝数为11000匝时，输出电压的峰峰值为25.0v，输出电压的曲线如图8所示。相比较于传统三芯取能磁芯的专利cn108494107a，三相交流电流的幅值为200a，漆包线的匝数为8000匝，输出电压的幅值仅为0.55v左右，每安每匝的输出电压为0.00000034375v，而本发明实验结果的每安每匝的输出电压幅值为0.000015091v，是它的43倍，并且该高输出电压是在三相电幅值仅为100a的条件下俘获的。此外由于全环绕式取能磁芯其结构本身的弊端，留有空间余量小，仅能采用芯标称直径为0.03mm的漆包线，而由于发明设计的磁芯由于其结构优势，缠绕芯标称直径为0.2mm的漆包线，每匝等效电源内阻仅为其1/44.4。可以看出上述装置能够得到更大的输出电压以及更低的等效电源内阻。
[0046]
本发明通过磁芯引导的磁路，磁芯卡在三相电缆外的优选取磁位置，利用电磁感应效应进行取能，由于磁感线不会分散，流过磁芯的磁通量大，并且由于磁芯特定的设计，留有较多的空间余量，可以缠绕更多匝的线圈来增加输出电压以及缠绕的线圈线径可以更大来降低等效电源的内阻。
[0047]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。