具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语包括相关所列项目的任何及所有组合。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种螺旋磁芯装置，包括螺旋磁芯本体和整流模块200，螺旋磁芯本体包括接收板2、螺旋磁路3和绕组线圈4，接收板2设置于螺旋磁路3的相对两端，绕组线圈4设置于螺旋磁路3，并连接整流模块200，整流模块200用于连接传感器300。其中，传感器300可以是无线传感器，螺旋磁芯装置整体可安装在输电导线1附近，当输电导线中通过交流电流时，周围会产生交变的磁场。该磁场引起螺旋磁芯本体内部线圈的磁通量的变化，产生感应电压。经过后端整流模块200处理后输出，从而给无线传感器供电。

具体地，螺旋磁芯本体中，通过在螺旋磁路3的相对两端均设置接收板2，以提高螺旋磁芯本体的磁芯磁通量。可以理解，接收板2和螺旋磁路3的具体结构和材质并不是唯一的，在一个实施例中，接收板2为坡莫合金接收板。进一步地，螺旋磁路3为坡莫合金坡莫合金。接收板2和螺旋磁路3均采用坡莫合金材料，使得磁芯的磁导率进一步提高。

在一个实施例中，螺旋磁芯本体的磁路长度与磁芯截面积成反相关。具体地，可在增大螺旋磁芯本体磁路长度的同时，减小螺旋磁芯本体的磁芯截面积，增加磁芯结构的互感系数，从而提高磁芯的输出功率。例如，与现有磁芯结构相比，可以是本申请提供的螺旋磁芯本体磁路长度增长，且磁芯截面积减小；也可以是在与现有磁芯结构具有相同磁路长度的情况下，本申请提供的螺旋磁芯本体磁芯截面积减小；还可以是在与现有磁芯结构具有相同磁芯截面积的情况下，本申请提供的螺旋磁芯本体磁路长度增长。

在一个实施例中，整流模块200包括整流电路和滤波电路，整流电路连接绕组线圈4和滤波电路，滤波电路连接传感器300。螺旋磁芯本体生成的感应电流依次经过整流电路和滤波电路进行整流和滤波后，提供稳定的直流输出给传感器300供电。

上述螺旋磁芯装置，通过将螺旋磁芯本体安装在输电线路附近，产生感应电流并输送至整流模块200进行处理后给传感器300供电。由于在螺旋磁路3相对两端设置了接收板2，可提高螺旋磁芯本体的磁芯磁通量，适用于磁场能量收集。

在一个实施例中，螺旋磁芯本体的尺寸为80mm×60mm×60mm。具体地，螺旋磁芯本体的尺寸标注如图2所示，其中，D_r为径向厚度，D_in为内部半径，L_S为支柱长度(衡量螺旋磁芯绕组匝数容量的重要参数之一)，W_H为螺旋宽度。通过将螺旋磁芯本体的整体尺寸设计为80mm×60mm×60mm，方便对螺旋圈数、气隙宽度和径向厚度的优化，可以使得螺旋磁芯的输出功率和功率密度达到最大。

具体地，在一个实施例中，螺旋磁芯本体的螺旋气隙圈数为18圈。对于长圆棒形的磁芯来说，当圆棒的长度和其直径的比值为50时，退磁因子已经为10^-3量级，退磁场已经很小了。此时再增加磁路的长度，螺旋的圈数继续增大。在保持气隙厚度不变的情况下，总的气隙圈数会增多，导致与绕组交链的总磁通减小。此外，磁路截面积的减小和磁路的增长，也会在一定程度上增大磁路的磁阻，从而进入气隙中的漏磁通也会相应增加。因此，气隙圈数的不断增加会导致互感系数的减小。

另一方面，如果螺旋的气隙圈数很少，则会导致磁路变短，使得退磁场增大。此时，虽然气隙的圈数很少，且磁路的截面积也逐渐变大，磁阻变小，但是由于退磁场的迅速增加，会导致内部磁感应强度减小，从而互感系数也开始变小。

综合分析，螺旋气隙圈数存在一个最优值。在这个最优值附近，其互感系数最大，因而线圈输出的功率也越大。本实施例中，在该装置的螺旋磁芯本体的80mm×60mm×60mm尺寸下，最佳螺旋气隙圈数为18圈。

在一个实施例中，螺旋磁芯本体的单层螺旋宽度和气隙宽度的比值为3。在整个磁芯长度固定的情况下，气隙宽度d的增加会导致螺旋磁芯的截面积减小，从而和绕组交链的总磁通也变小。尽管螺旋磁路的界面变小会在一定程度上减小退磁场的强度，但是总磁通的大小还和磁感应强度所通过的面积有关。气隙增大导致面积减小，从而总磁通减小。

若气隙的宽度太小，则会导致通过气隙的漏磁通增大。尽管螺旋磁芯的截面积增大，磁阻会变小，但气隙变得很小时，气隙的磁阻减小的速度远大于螺旋磁芯中磁阻减小的速度，从而导致漏磁通迅速增大。更重要的是，气隙的减小相当于单层螺旋磁芯的截面积增大，由退磁场理论可知，其退磁场会增显著增强，从而导致磁芯内部的磁感应强度下降，这也是导致互感系数下降的主要原因。综合上述因素，绕组交链的磁通就会有所下降，互感系数因而也会降低。

由上述分析可知，气隙的宽度存在一个最优值。本实施例中，在该装置的螺旋磁芯本体的80mm×60mm×60mm尺寸下，单层螺旋宽度D和气隙宽度d的最佳比值为3，即气隙宽度d为0.735mm。

在一个实施例中，螺旋磁芯本体的径向厚度为16mm。具体地，螺旋径向厚度D_r越大，磁路截面积就越大，以使更多的磁通量通过磁芯，从而产生更高的感应电压。然而，由于螺旋磁芯的特殊形状，磁芯内部的磁通量密度并不是均匀分布的。由磁路理论可知，大部分磁通量趋向于沿磁阻很小的最短路径运动。由于靠近内部磁路较短，磁磁感应强度因而较大，越往外，磁感应强度越小。随着径向厚度D_r增大，厚度增大所贡献的磁通量大小会越来越弱，但是厚度增加也会导致导线电阻和磁芯的体积的增加，从而使得线圈的功率密度变小。

综合上述分析可知，随着螺旋磁芯的径向厚度D_r的增大，线圈的电阻也会随之增加，但由增加的磁通较大，因而整个线圈的功率密度也是增加的。随着径向厚度D_r的继续增大，其磁通量的增加会越来越少，而线圈的功率密度不仅和输出开路电压有关还和绕组线圈的电阻有关，因此，电阻越来越大会导致其功率密度的下降。另外，增加径向厚度D_r增加了磁芯的体积，从而也就增加了整个磁芯的质量和成本。如果保持螺旋磁芯的尺寸不变，径向厚度D_r的增大也意味着螺旋磁芯的内部半径减小。由于螺旋磁芯绕组特殊的绕线方式，其内部半径D_in变小时，可容纳的最大绕组匝数也会变小，因此必须保证其内部的空间可以容纳足够的匝数。

综上分析，本实施例中，在该装置的螺旋磁芯本体的80mm×60mm×60mm尺寸下，功率密度最大时候的径向厚度D_r为16mm。

以上即是通过分析螺旋磁芯本体在规定尺寸下采用最佳的螺旋圈数，控制气隙宽度和每一层螺旋宽度之间的比值，使其达到最优，以及采用使得磁芯输出功率密度最大时的径向尺寸，使得螺旋磁芯本体的体积得到最大化的利用。

在一个实施例中，还提供了一种输电线路数据采集设备，包括传感器和上述的螺旋磁芯装置。其中，传感器可以是无线传感器。进一步地，输电线路数据采集设备还可包括与无线传感器无线通信的控制终端，控制终端接收无线传感器采集的数据进行保存，以便对输电线路进行状态分析。

上述输电线路数据采集设备，通过将螺旋磁芯本体安装在输电线路附近，产生感应电流并输送至整流模块进行处理后给传感器供电。由于在螺旋磁路相对两端设置了接收板，可提高螺旋磁芯本体的磁芯磁通量，适用于磁场能量收集。

为便于更好地理解上述螺旋磁芯装置和输电线路数据采集设备，下面结合具体实施例进行详细解释说明。

非侵入式感应取能装置安装方便，不需要夹在母线上，而且不会对输电线造成影响，应用场合更加广泛。比如装置可以安装在在塔顶、继电保护装置附近，或者放置在任何大电流设备的附近。这种方式相比于传统方法能够更好地为微型传感器供电。而为了解决非侵入式感应取能的磁芯中的磁通量较小，输出功率较低，功率密度也很小的问题，本申请提供了一种新的磁芯结构和设计方法，从而使得该磁芯内部的磁通密度大，退磁场强度小，输出功率高。设计原理如下：

当介质在外磁化场中被磁化后，其两端出现N和S极，从而在介质内外产生一个附加的磁场称为退磁场H_d，如图3所示，H_d为退磁场，H_ex为外部磁场，L为介质长度，M为磁芯内部的磁化强度。

空间中各处的总磁场强度H是外磁场和介质两端上的磁荷产生的退磁场H_d叠加，对于内部磁场则有

H_in＝H_ex-H_d

式中，H_d、H_ex和H_in分别为退磁场强度、外部磁场和内部磁场强度。退磁场强度H_d取决于材料的磁化强度和磁芯的形状，引入退磁因子N_D，则有

式中，是磁极化强度矢量，其定义为单位体积内分子磁矩的矢量和，μ₀是真空磁导率，退磁因子N_D则由材料的几何因素决定。由于退磁因子的计算一般只适用于均匀磁化的情形下的椭球形磁介质，但对于一个长为l，直径为d的圆棒来说，退磁因子可做近似计算，其公式为

因此，本申请从减小磁芯的截面积大小和增加磁路的长度两个方面来提高磁芯的输出功率。该螺旋磁芯装置两端的接收板和中部设置的最佳螺旋圈数和磁路长度，有效增加了该磁芯结构的互感系数；同时，采用坡莫合金作为磁芯材料，使得磁芯的磁导率进一步提高。采用本装置安装在输电导线附近，可以为电网中的微小无线传感器提供稳定可靠的电能，有效解决了传统蓄电池供电带来的一系列问题，具有重要的应用价值。

如图1所示，螺旋磁芯装置螺旋磁芯本体和整流模块200，螺旋磁芯本体包括接收板2、螺旋磁路3和绕组线圈4，接收板2设置于螺旋磁路3的相对两端，绕组线圈4设置于螺旋磁路3，并连接整流模块200，整流模块200连接传感器300。整体装置安装在输电导线1附近。当输电导线1中通过交流电流时，周围会产生交变的磁场。该磁场引起通过线圈内部的磁通量的变化，而由于该磁芯结构汇聚了的磁通很大，因而线圈上会产生较高的感应电压。经过后端处理电流进行整流和滤波后，可以提供稳定的直流输出，从而给无线传感器供电。

螺旋磁芯本体的结构通过一定的优化可以取得最佳取能效果，下面介绍参数的优化过程。

优化1：螺旋气隙的最佳圈数。一般来说，螺旋的圈数越多，即螺距角越大，则磁路越长，从而退磁场也就越小。但实际上，对于长的圆棒来说，当圆棒的长度和其直径的比值为50时，退磁因子已经为10^-3量级，退磁场已经很小了。此时再增加磁路的长度，也就是说，螺旋的圈数继续增大。在保持气隙厚度不变的情况下，总的气隙圈数会增多，导致与绕组交链的总磁通减小。此外，磁路截面积的减小和磁路的增长，也会在一定程度上增大磁路的磁阻，从而进入气隙中的漏磁通也会相应增加。因此，气隙圈数的不断增加会导致互感系数的减小。

另一方面，如果螺旋的气隙圈数很少，则会导致磁路变短，使得退磁场增大。此时，虽然气隙的圈数很少，且磁路的截面积也逐渐变大，磁阻变小，但是由于退磁场的迅速增加，会导致内部磁感应强度减小，从而互感系数也开始变小。

综合上述分析，螺旋气隙圈数应该存在一个最优值。在这个最优值附近，其互感系数最大，因而线圈输出的功率也越大。在该装置的磁芯迟尺寸下，最佳螺旋气隙圈数为18圈。

优化2：单层螺旋宽度D和气隙宽度d的最佳比值。一般来说，气隙的宽度不是越大越好。这是因为在整个磁芯长度固定的情况下，气隙宽度的增加会导致螺旋磁芯的截面积减小，从而和绕组交链的总磁通也变小。尽管螺旋磁路的界面变小会在一定程度上减小退磁场的强度，但是总磁通的大小还和磁感应强度所通过的面积有关。气隙增大导致面积减小，从而总磁通减小。

若气隙的宽度太小，则会导致通过气隙的漏磁通增大。尽管螺旋磁芯的截面积增大，磁阻会变小，但气隙变得很小时，气隙的磁阻减小的速度远大于螺旋磁芯中磁阻减小的速度，从而导致漏磁通迅速增大。更重要的是，气隙的减小相当于单层螺旋磁芯的截面积增大，由退磁场理论可知，其退磁场会增显著增强，从而导致磁芯内部的磁感应强度下降，这也是导致互感系数下降的主要原因。综合上述因素，绕组交链的磁通就会有所下降，互感系数因而也会降低。

由上述分析可知，气隙的宽度存在一个最优值。由实验分析发现，本装置的D/d最佳比值为3，即气隙宽度d为0.735mm。

优化3：螺旋磁芯径向厚度Dr的优化设计。螺旋径向厚度Dr越大，磁路截面积就越大，以使更多的磁通量通过磁芯，从而产生更高的感应电压。然而，由于螺旋磁芯的特殊形状，磁芯内部的磁通量密度并不是均匀分布的。由磁路理论可知，大部分磁通量趋向于沿磁阻很小的最短路径运动。由于靠近内部磁路较短，磁磁感应强度因而较大，越往外，磁感应强度越小。随着径向厚度Dr增大，厚度增大所贡献的磁通量大小会越来越弱，但是厚度增加也会导致导线电阻和磁芯的体积的增加，从而使得线圈的功率密度变小。

综合上述分析可知，随着螺旋磁芯的径向厚度D_r的增大，线圈的电阻也会随之增加，但由增加的磁通较大，因而整个线圈的功率密度也是增加的。随着径向厚度D_r的继续增大，其磁通量的增加会越来越少，而线圈的功率密度不仅和输出开路电压有关还和绕组线圈的电阻有关，因此，电阻越来越大会导致其功率密度的下降。另外，增加径向厚度D_r增加了磁芯的体积，从而也就增加了整个磁芯的质量和成本。如果保持螺旋磁芯的尺寸不变，径向厚度D_r的增大也意味着螺旋磁芯的内部半径减小。由于螺旋磁芯绕组特殊的绕线方式，其内部半径D_in变小时，可容纳的最大绕组匝数也会变小，因此必须保证其内部的空间可以容纳足够的匝数。

由实验分析发现，本装置取得功率密度最大时候的径向厚度D_r为16mm。

为了使得螺旋磁芯取得更多的功率，本申请采用的方案是：在规定尺寸下采用最佳的螺旋圈数；控制气隙宽度和每一层螺旋宽度之间的比值，使其达到最优；采用使得磁芯输出功率密度最大时的径向尺寸，使得磁芯的体积得到最大化的利用。该装置由螺旋磁芯、后级处理电路、固定装置组成。

本申请提供的螺旋磁芯装置，磁通密度大，退磁场强度小，输出功率高，适用于磁场能量收集。可利用输电线或者电气设备周围的磁场能量获取电能的非侵入式取能装置，经过后级处理电路后可以得到稳定的直流电压输出，够更好地为微型传感器供电。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。