CN103682079B - 压电元件、供电装置和电子系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压电元件、供电装置和电子系统，其中，该供电装置包括：压电材料；和覆盖在所述压电材料表面的磁性材料，当所述压电元件被放置在具有交变磁场的环境的情况下，所述压电元件在所述磁性材料受到的磁力的作用下运动，从而使所述压电材料产生电能。利用该压电元件、供电装置和电子系统，能够把环境中的交变磁场转换为电能。
Description
技术领域
本发明涉及压电元件、供电装置和电子系统。
背景技术
在一些环境中，例如变电站和高压电源传输塔的周围，存在着交变磁场。但是目前还没有能够方便地利用这些交变磁场能量的技术。同时，一些电子设备工作在变电站和高压电源传输塔这样的环境中。由于存在高压差，无法直接给这些电子设备供电，或者即使能给这些电子设备供电但能提供的电能有限，不能满足这些电子设备的供电要求。
发明内容
本发明的目的是利用环境中的交变磁场产生电能，从而提高能量的利用率。同时，把产生的电能提供给在这些环境中工作的电子设备使用，从而克服向在这样的环境中工作的电子设备供电的难题。
本发明实施例的目的在于提供压电元件、供电装置和电子系统，其能够把环境中的交变磁场转换为电能。
按照本发明实施例的一种压电元件，包括：压电材料和磁性材料，所述磁性材料覆盖在所述压电材料的表面，当所述压电元件被放置在具有交变磁场的环境的情况下，所述压电元件在所述磁性材料受到的磁力的作用下产生运动，从而使所述压电材料产生电能。
优选，所述压电材料是压电陶瓷纤维。
按照本发明实施例的一种供电装置，包括：至少一个压电元件，用于利用环境中的交变磁场产生电能，其中，所述至少一个压电元件的每一个包括压电材料和磁性材料。
其中，所述至少一个压电元件为多个，其按照阵列方式布置并且首尾连接串联在一起。
其中，所述供电装置还包括支撑部件，用于支撑所述压电元件。
其中，所述支撑部件包括：基座；以及，在所述基座上形成的多个按照阵列方式布置的沟槽，每一个沟槽由两个槽壁形成，其中，所述压电元件放置在所述多个沟槽中。
其中，所述基座是利用磁导率小于第一指定值的材料制造的，以及，所述槽壁是利用磁导率大于第二指定值的材料制造的。
其中，所述压电材料是压电陶瓷纤维。
按照本发明实施例的一种电子系统，包括：电子模块，用于执行预定功能；以及，供电装置，用于向所述电子模块提供电能，其中，所述供电装置包括至少一个压电元件，用于利用环境中的交变磁场产生电能，其中，所述至少一个压电元件包括压电材料和覆盖在所述压电材料的表面上的磁性材料。其中，所述电子系统还包括：光电转换器，用于将接收到的光源转换为电能并输出给所述电子模块。
其中，所述电子系统还包括电源转换器，连接在所述电子模块和所述供电装置之间，用于将所述供电装置所提供的电能转换为适用于所述电子模块的电能并把转换的电能输出给所述电子模块。
其中，所述电子系统安装在极高压或超高压电源传输塔的顶部以采样电源传输线的电压和电流。
从以上描述可以看出，在本发明的实施例中，压电元件包括压电材料和磁性材料，因此，当压电元件被放置在具有交变磁场的环境中时，磁性材料和交变磁场相互作用，磁性材料受到磁力的作用，从而使压电元件在磁力的作用下运动，从而使压电元件中的压电材料产生变形，压电元件中的压电材料由于压电效应产生电能，从而就实现了利用环境中的交变磁场产生电能。
附图说明
本发明的其它特点、特征、优点和益处通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易见。其中：
图1A-1B示出了按照本发明一个实施例的压电元件的示意图；
图2A-2B示出了按照本发明一个实施例的供电装置的示意图；以及
图3示出了按照本发明一个实施例的电子系统的示意图。
具体实施方式
按照本发明实施例的方案，通过利用压电材料和磁性材料来形成压电元件，当该压电元件被放置在具有交变磁场的环境中时，在环境中的交变磁场和该压电元件中的磁性材料的相互作用下，该压电元件发生振动从而该导致压电元件中的压电材料产生变形，该压电元件中的压电材料由于压电效应产生电能，从而能够利用环境中的交变磁场产生电能。
下面，将结合附图详细描述本发明的各个实施例。
现在参见图1A-1B，其示出了按照本发明一个实施例的压电元件的示意图。如图1A-1B所示，压电元件100可以包括一种压电材料压电陶瓷纤维120和磁性材料130，其中，磁性材料130覆盖在压电陶瓷纤维120的表面。
压电陶瓷纤维120可以是利用任何陶瓷材料制作的具有压电效应的纤维。这里，优先选择对压电元件的轻微运动就能够产生压电效应的压电陶瓷纤维。而且，根据实际需要的输出电压可以选择不同性能的压电陶瓷纤维。例如，压电陶瓷纤维120可以是美国先进陶瓷公司生产的利用黏胶纺丝法(VSSP：Viscose SuspensionSpinning Process)制备的直径可缩小到10-250μm的陶瓷长纤维。
磁性材料130可以是任何具有磁性的材料，例如但不局限于永磁材料或者被磁化后具有磁性的材料。
现在参见图2A-2B，其示出了按照本发明一个实施例的供电装置的示意图。如图2A-2B所示，供电装置200可以包括多个压电元件100和支撑部件220。
该多个压电元件100用于利用环境中的交变磁场产生电能。如上所述，压电元件100包括压电陶瓷纤维120和覆盖在压电陶瓷纤维120表面上的磁性材料130。在本实施例中，该多个压电元件100按照阵列方式布置，并利用导线首尾连接串联在一起。
支撑部件220可以包括基座222和多个沟槽224。其中，基座222可以用磁导率小于第一指定值的材料制造，这里，磁导率小于第一指定值的材料具有较低的磁导率，可以根据实际需要确定基座材料的磁导率的大小(即第一指定值的大小)。优选，基座材料的磁导率为零。沟槽224形成在基座222之上并且按照阵列方式布置，每一个沟槽224由两个槽壁226形成，其中形成沟槽224的槽壁226可以由磁导率大于第二指定值的材料制造，这里，磁导率大于第二指定值的材料具有较高的磁导率。可以根据实际需要确定槽壁226材料的磁导率的大小(即第二指定值的大小)。这样，交变磁场中的大部分磁力线就会穿过压电元件100和槽壁224。按照阵列方式布置的压电元件100放置在支撑部件240的沟槽244中。
当将供电装置200放置在具有交变磁场的环境中时，只要供电装置200压电元件100的压电陶瓷纤维120的轴线与交变磁场的方向不平行，那么供电装置200中的压电元件100就可以利用环境中的交变磁场产生电能，以为其它设备提供工作电源。
现在参见图3，其示出了按照本发明一个实施例的电子系统的示意图。图3所示的电子系统可以安装在超高压(EHV)或特高压(UHV)电源传输塔的顶部以采样电源传输线的电压和电流。
如图3所示，电子系统300可以包括传感器310、光电转换器(PPC：Photovoltaic Power Converter)320、电源转换器330和供电装置200。
其中，传感器310用于检测EHV或UHV电源传输塔传输线的电压和电流。传感器310所检测的传输线的电压和电流将被传送到EHV或UHV电源传输塔的地面站，以便维护人员根据所检测的电压和电流来查看EHV或UHV电源传输塔是否工作正常。
光电转换器320用于接收EHV或UHV电源传输塔的地面站经由光纤维传输的光，把所接收的光转换为电能并输出给传感器310作为工作电源。现有的光电转换器320的额定功率可以达到500mW，但随着光电转换器320的工作功率变大，其温度将会逐渐升高，这会缩短光电转换器320的寿命。
供电装置200用于利用EHV或UHV电源传输塔周围的交变磁场生成电能。供电装置200的结构在图2中已经详细描述，这里不再赘述。
电源转换器330用于把供电装置200所生成的电能转换为适用于传感器310的电能并把转换的电能输出给传感器310作为其工作电源。
在本实施例中，除了利用光电转换器320向传感器310提供工作电源之外，还采用供电装置200向传感器310提供工作电源。由于传感器310所需的工作电源是固定的，并且供电装置200已经向传感器310提供了部分工作电源，因此，可以降低光电转换器320的工作功率以向传感器310提供剩下部分的工作电源，从而降低了光电转换器320的温度，进而可以延长其寿命。
其它变型
本领域技术人员应当理解，虽然在上面实施例中，供电装置200所包括的多个压电元件100按照阵列方式布置，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，供电装置200所包括的多个压电元件100也可以按照其它方式进行布置，例如按照直线方式进行布置。
本领域技术人员应当理解，虽然在上面实施例中，对于每一个压电元件100所包括的压电材料120和磁性材料130，磁性材料130覆盖在压电材料120的表面从而使得压电元件100具有磁性，然而，本发明并不局限于此。磁性材料130还可以掺杂在压电材料120中形成压电元件100，通过极化磁性材料130可以使磁性材料和环境中的交变磁场产生相互作用。。
本领域技术人员应当理解，虽然在上面描述的实施例中，支撑部件220中的基座222和槽壁226分别由具有低磁导率的材料和高磁导率的材料制造，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，支撑部件220中的基座222和/或槽壁226也可以使用其它的材料来制作，例如，支撑部件220中的基座222可以使用具有高磁导率的材料来制作，支撑部件220中的槽壁226可以使用具有低磁导率的材料来制作。
本领域技术人员应当理解，虽然在上面实施例中，供电装置200包括多个压电元件100，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，供电装置200也可以只包括一个压电元件100。
本领域技术人员应当理解，虽然在上面描述的实施例中，供电装置200包括支撑部件220来支撑压电元件100，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，也可以不支撑压电元件100，从而供电装置200可以不包括支撑部件220。
本领域技术人员应当理解，虽然在上面描述的压电元件100中，使用压电陶瓷纤维作为压电材料，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，压电元件100也可以使用除了压电陶瓷纤维之外的其它压电材料，只要压电元件100能够对微小的振动产生电能即可。
本领域技术人员应当理解，虽然在上面描述的实施例中，电子系统300包括电源转换器330以把供电装置200所生成的电能转换为适用于传感器310的电能，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它实施例中，例如在供电装置200所生成的电能本身就适用于传感器310的情况下，电子系统300也可以不包括电源转换器330。
本领域技术人员应当理解，虽然在上面描述的实施例中，电子系统300包括光电转换器320，由光电转换器320和供电装置200两者向传感器310提供电能作为工作电源，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，例如在电子系统300所包括的供电装置200已经能够向传感器310提供充足的工作电源的情况下，电子系统300也可以不包括光电转换器320。
本领域技术人员应当理解，虽然在上面描述的实施例中，电子系统300应用于具有交变磁场的超高压(EHV)或特高压(UHV)电源传输塔中，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，电子系统300也可以应用于具有交变磁场的其它场合中，在这种情况下，可以使用用于执行预定功能的其它电子模块来取代传感器310以使得电子系统300适用于该具有交变磁场的其它场合。
本领域技术人员应当理解，上面所公开的各个实施例可以在不偏离发明实质的情况下作出各种变形和改变，这些变形和改变都应该落入在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书来定义。
Claims (7)
1.一种供电装置，包括：
至少一个压电元件，用于利用环境中的交变磁场产生电能，其中，所述至少一个压电元件包括压电材料和磁性材料，所述磁性材料与所述压电材料相邻，且覆盖在所述压电材料的表面；
支撑部件，所述支撑部件包括：
基座；以及
在所述基座上形成多个沟槽，每一个沟槽由两个槽壁形成，
其中，所述压电元件放置在所述多个沟槽中。
2.如权利要求1所述的供电装置，其中，
所述至少一个压电元件为多个，其按照阵列方式布置并且首尾连接串联在一起。
3.如权利要求1所述的供电装置，其中
所述压电材料是压电陶瓷纤维。
4.一种电子系统，包括：
电子模块，用于执行预定功能；以及
如权利要求1-3中的任意一个所述的供电装置，用于向所述电子模块提供电能。
5.如权利要求4所述的电子系统，其中，还包括：
光电转换器，用于将接收到的光源转换为电能并输出给所述电子模块。
6.如权利要求4所述的电子系统，其中，还包括：
电源转换器，连接在所述电子模块和所述供电装置之间，用于将所述供电装置所提供的电能转换为适用于所述电子模块的电能并把转换的电能输出给所述电子模块。
7.如权利要求4所述的电子系统，其中，
所述电子系统安装在特高压或超高压电源传输塔的顶部，以采样电源传输线的电压和电流。
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