CN104038102A - 一种基于复合磁耦合效应的从导线磁场中采集能量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于复合磁耦合效应的从导线磁场中采集能量的装置，属于能量采集技术领域。本发明利用压电悬臂梁(单晶片或双晶片)与永磁体构成的复合磁电结构进行导线周围工频磁场能量的采集，通过理论模型计算或者磁场数值仿真确定最佳放置位置以期最佳的复合磁耦合效应，即磁场力与磁力矩的最佳配合，借助永磁体与交流磁场之间磁场力与磁力矩的复合磁耦合效应产生激励，实现磁场能到机械能转化，压电悬臂梁的压电效应将机械能转化为可用电能，为传感器等小功率电子设备供电或充电，本发明装置具有体积小、制作成本低、工作安全可靠、便于安装维护等优点，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于复合磁耦合效应的从导线磁场中采集能量的装置

技术领域

本发明涉及一种基于复合磁耦合效应的从导线磁场中采集能量的装置，属于能量采集技术领域。

背景技术

传感器网络在工业及民用方面都有广泛的应用前景，然而现阶段其应用仅局限在一部分工业场合。限制其大规模应用的主要问题之一就是传感器的供电问题。由于传感器节点的电池容量十分有限，需要定期对电池进行更换，而对于在工业应用(如高压输电和配电线路的监测系统)及民用领域(如智能家居中环境及用电设备监测节点)中广域分布的传感器节点，定期对传感器网络维护、为传感器更换电池极为不便，而且维护成本较高，这也极大限制了传感器网络的应用进程。

环境能量采集技术的出现为传感器网络实现免维护提供了有力的支持。环境能量采集指通过换能器将环境中自然存在的振动能量、光能、电磁能等转化成可应用的电能，为传感器等小功率电子设备供电或充电。

对于光能的采集一般通过光伏电池实现，该技术比较成熟，然而光能的稳定性有限，受天气和地理位置影响较大，在夜间、阴天以及背光区域都无法提供足够的光能，影响基于光能采集的供电方式的可靠性。同时，光伏电池转化效率不高，尺寸一般较大，容易受损，维护成本较高，这些也限制了基于光能采集传感器节点的小型化和低成本。广泛分布的环境中的振动也可以为传感器等小功率设备提供能量，然而由于振动能量分布及强度的随机性非常大，因此其供电可靠性同样不高。

相比较而言，电磁能量在环境中的分布同样非常广泛，包括高频电磁波能量以及低频磁场能量。高频电磁波能量的幅度非常有限，不宜作为可靠的能量来源。由于通电导线如今分布十分广泛，无论是工业场合(如电力系统中高压输电和配电线路、变电站等)还是民用场合(如住宅、办公楼中供电线路、各类普通电器的接插线等)，在通电导线周围分布一定强度的工频磁场。环境中工频磁场能量的突出特点在于其分布广泛，且强度非常稳定(特别是在电力系统应用中输电和配电线路周围工频磁场强度很高)，因而可以为传感器等小功率电子设备提供稳定能量来源。

目前，采集导线周围工频磁场的方式一般基于电磁感应原理，空心线圈在低频下的转换效能非常低，因此一般通过带有磁芯的互感线圈实现。由于磁芯的存在，其体积及重量一般较大，难以实现小型化、轻量化。同时，由于基于电磁感应的互感线圈取能要求导线穿过闭合磁芯，因此其安装、维护都十分不便。此外，基于磁场变化率的互感线圈在导线电流突变情况下将产生高电压，可能对后端电子设备造成损毁，其供电安全性也需要特殊考虑。对于电力系统等工业应用中还存在一类利用电容分压器导线取能的方式，然而该方式属于侵入式取能，供电安全性有很大问题，甚至还会影响到输电线路本身的安全性。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于复合磁耦合效应的从导线磁场中采集能量的装置，利用导线产生的磁场与永磁体之间的磁场力及磁力矩的复合磁耦合作用，提高永磁体/压电材料复合结构的采集功率，使其更好地实现导线周围磁场能量采集，为传感器等小功率电子设备供电或充电。

本发明提出的基于复合磁耦合效应的从导线磁场中采集能量的装置，其制备过程包括以下各步骤：

(1)该装置包括梁紧固件、压电悬臂梁、整流稳压器和永磁体，所述的梁紧固件用于使压电悬臂梁的一端固定在任意一个物体上，所述的永磁体固定在压电悬臂梁的另一端，压电悬臂梁由压电层和弹性层两层相互粘结而成，或由压电层、弹性层和压电层三层依次相互粘结而成，所述的压电层通过导线与整流稳压器相连，整流稳压器通过导线与能量使用装置相连；

将提供能量的导线的中心轴任意一点定义为三维坐标的原点O，永磁体中心在该三维坐标中的坐标为(x₀,y₀,z₀)，永磁体中心与梁紧固件之间的距离即等效压电悬臂梁长度为l_eff；

(2)通过以下公式计算由提供能量的导线中的电流产生的磁场中任一点(x,y,z)处的磁感应强度矢量B_e：

$B_e={\mathrm{\μH}}_e=\frac{{\mathrm{\μxI}}_{\mathrm{line}}}{2\mathrm{\π}(x^2+y^2)}{e}_x-\frac{{\mathrm{\μyI}}_{\mathrm{line}}}{2\mathrm{\π}(x^2+y^2)}{e}_y$

其中，I_line为提供能量的导线中的电流值，H_e为提供能量的导线中的电流产生的磁场中任一点(x,y,z)处的磁场强度矢量，μ为永磁体的磁导率，e_x和e_y分别为水平方向和竖直方向的单位向量；

(3)利用下式计算永磁体的每个微单元与提供能量的导线中电流产生的磁场之间耦合产生的磁场力ΔF和磁力矩Δτ：

Δτ＝|Δm×B_e|

$\mathrm{\ΔF}=\▿(\mathrm{\Δm}\·B_e)=\frac{\∂(\mathrm{\Δm}\·B_e)}{\∂x}{e}_x+\frac{\∂(\mathrm{\Δm}\·B_e)}{\∂y}{e}_y$

其中，Δm为永磁体微单元的磁矩，该磁矩的方向与永磁体的磁化强度M方向一致，

Δm＝MΔV，ΔV为永磁体微单元的体积，

对于压电悬臂梁，上述磁场力ΔF的有效磁场力分量为：

${\mathrm{\ΔF}}_y=\frac{\∂(\mathrm{\Δm}\·B_e)}{\∂y}$

(4)根据上述有效磁场力ΔF_y和磁力矩Δτ，通过下式计算得到永磁体受到的有效磁场力F_y和磁力矩τ：

$F_y=\underset{V}{\∫\∫\∫}{\mathrm{\ΔF}}_y=\underset{V}{\∫\∫\∫}\frac{\∂(\mathrm{\Δm}\·B_e)}{\∂y}$

$\mathrm{\τ}=\underset{V}{\∫\∫\∫}\mathrm{\Δ\τ}=\underset{V}{\∫\∫\∫}|\mathrm{\Δm}\×B_e|$

其中，V为永磁体的体积区域：

$V=\left\{(x,y,z)\right|x_0-\frac{L}{2}\≤x\≤x_0+\frac{L}{2},y_0-\frac{h}{2}\≤y\≤y_0+\frac{h}{2},z_0-\frac{b}{2}\≤z\≤z_0+\frac{b}{2}\}$

其中，L、b和h分别为永磁体的长、宽和高；

(5)利用下式，将上述得到的磁力矩τ等效为使压电悬臂梁产生相同形变的端部作用力F_eq：

F_eq＝3τ/2l_eff

其中，l_eff为等效压电悬臂梁长度；

进而得到的压电悬臂梁端部受力为F_s＝F_y+F_eq；

(6)根据提供能量的导线的类型，设定永磁体中心与提供能量的导线之间的最佳垂直距离为y₁，永磁体中心与提供能量的导线之间的最佳水平距离x₁为：满足公式dF_s/dx₀＝0时，使x₁＝x₀，永磁体中心与提供能量的导线平行方向的坐标z₁为任意值；

(7)将永磁体固定在压电悬臂梁的端部，使永磁体的中心位置为(x₁,y₁,z₁)，构成一个从提供能量的导线磁场中采集能量的装置。

本发明提出的一种基于复合磁耦合效应的从导线磁场中采集能量的装置，具有以下优点：

1、本发明装置利用永磁/压电悬臂梁复合结构实现利用导线中电流产生的磁场获取能量，相比基于电流互感器、罗氏线圈或电容分压器导线取能的方式而言，本发明方法实现完全非侵入设计，安装拆卸十分方便，为工程上实施及维护提供了极大的便利。

2、本发明装置基于磁场能量到机械能再到电能的转化模式，与已有的基于电磁感应的电流互感器或罗氏线圈取能装置相比，安全性有很大的提升，输出能量与磁场大小相关，而非场强的变化率，因此在电流突变的情况下不会产生暂态高电压对二次电子电路产生损坏。此外，由于压电材料的饱和效应，在短路故障的情况下不会产生过高的输出电压损坏电路。

3、本发明装置中利用永磁/压电悬臂梁复合结构进行导线取能，整个装置体积小，成本低，不依赖天气、地理位置等外界环境因素，不易受恶劣天气损坏。

4、本发明装置同时利用了磁场力与磁力矩的复合磁耦合作用，相比较单纯利用磁场力或磁力矩而言，能量采集装置的输出功率有极大的提高，同时最佳耦合位置要求一定的水平距离，使整个装置距离导线可以更远，进一步提高的装置的安全性，使永磁/压电梁复合结构性能提高，在实际应用中更好的从导线获取能量为传感器等小功率电子设备直接供电或充电。

综上所述，本发明提出的基于复合磁耦合效应的从导线磁场中采集能量的装置，体积小、制作成本低、工作安全可靠、便于安装维护，与已有的单一的磁场力或磁力矩耦合方式相比，同等电流下从导线磁场中采集能量的装置输出功率得到极大的提高，为实现自供电、免维护的传感器节点及其他小功率电子设备的供电和充电提供了更优选择，因此具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明提出的基于复合磁耦合效应的从导线磁场中采集能量的装置的结构示意图。

图1中，1是梁紧固件，2是压电层，3是弹性层，4是永磁体，5是提供能量的导线，6是压电悬臂梁，7是整流稳压器，8是能量使用装置。

具体实施方式

本发明提出的基于复合磁耦合效应的从导线磁场中采集能量的装置，其结构如图1所示，该装置的制备过程包括以下各步骤：

(1)该装置包括梁紧固件1、压电悬臂梁6、整流稳压器7和永磁体4，所述的梁紧固件1用于使压电悬臂梁6的一端固定在任意一个物体上，该物体的位置固定，可以是墙体、输电线路杆塔等等，永磁体4固定在压电悬臂梁的另一端，压电悬臂梁由压电层2和弹性层3两层相互粘结而成，或由压电层2、弹性层3和压电层2三层依次相互粘结而成。压电层通过导线与整流稳压器相连，整流稳压器7通过导线与能量使用装置8相连。

本发明装置中，压电悬臂梁可选用压电层与弹性层构成的单晶片或者双晶片，将永磁体粘接的一端作为自由振动端，另一端作为夹持固定端，选择合适的悬臂梁长度、永磁体质量，使采集能量装置的谐振频率与提供能量的导线中电流产生的磁场的频率一致；其中的压电层可以用锆钛酸铅、PMN-PT或PVDF等等，弹性层可以使用不锈钢、铜或硅等材料制备。

将提供能量的导线5的中心轴任意一点定义为三维坐标的原点O，永磁体中心在该三维坐标中的坐标为(x₀,y₀,z₀)，永磁体中心与梁紧固件之间的距离即等效压电悬臂梁长度为l_eff；

(2)通过以下公式计算由提供能量的导线中的电流产生的磁场中任一点(x,y,z)处的磁感应强度矢量B_e：

$B_e={\mathrm{\μH}}_e=\frac{{\mathrm{\μxI}}_{\mathrm{line}}}{2\mathrm{\π}(x^2+y^2)}{e}_x-\frac{{\mathrm{\μyI}}_{\mathrm{line}}}{2\mathrm{\π}(x^2+y^2)}{e}_y$

其中，I_line为提供能量的导线中的电流值，H_e为提供能量的导线中的电流产生的磁场中任一点(x,y,z)处的磁场强度矢量，μ为永磁体的磁导率，e_x和e_y分别为水平方向和竖直方向的单位向量；

(3)利用下式计算永磁体的每个微单元与提供能量的导线中电流产生的磁场之间耦合产生的磁场力ΔF和磁力矩Δτ：

Δτ＝|Δm×B_e|

$\mathrm{\ΔF}=\▿(\mathrm{\Δm}\·B_e)=\frac{\∂(\mathrm{\Δm}\·B_e)}{\∂x}{e}_x+\frac{\∂(\mathrm{\Δm}\·B_e)}{\∂y}{e}_y$

其中，Δm为永磁体微单元的磁矩，该磁矩的方向与永磁体的磁化强度M方向一致，

Δm＝MΔV，ΔV为永磁体微单元的体积，

对于压电悬臂梁，上述磁场力ΔF的有效磁场力分量为：

${\mathrm{\ΔF}}_y=\frac{\∂(\mathrm{\Δm}\·B_e)}{\∂y}$

(4)根据上述有效磁场力ΔF_y和磁力矩Δτ，通过下式计算得到永磁体受到的有效磁场力F_y和磁力矩τ：

$F_y=\underset{V}{\∫\∫\∫}{\mathrm{\ΔF}}_y=\underset{V}{\∫\∫\∫}\frac{\∂(\mathrm{\Δm}\·B_e)}{\∂y}$

$\mathrm{\τ}=\underset{V}{\∫\∫\∫}\mathrm{\Δ\τ}=\underset{V}{\∫\∫\∫}|\mathrm{\Δm}\×B_e|$

其中，V为永磁体的体积区域：

$V=\left\{(x,y,z)\right|x_0-\frac{L}{2}\≤x\≤x_0+\frac{L}{2},y_0-\frac{h}{2}\≤y\≤y_0+\frac{h}{2},z_0-\frac{b}{2}\≤z\≤z_0+\frac{b}{2}\}$

其中，L、b和h分别为永磁体的长、宽和高；

(5)利用下式，将上述得到的磁力矩τ等效为使压电悬臂梁产生相同形变的端部作用力F_eq：

F_eq＝3τ/2l_eff

其中，l_eff为等效压电悬臂梁长度；

进而得到的压电悬臂梁端部受力为F_s＝F_y+F_eq；

(6)根据提供能量的导线的类型，设定永磁体中心与提供能量的导线之间的最佳垂直距离为y₁(例如，提供能量的导线为高压输电线路，则考虑到高压输电线路的强电场环境可能威胁装置的安全，要求在保证装置安全的前提下，使装置与输电线路之间的垂直距离y₁越小越好，如果提供能量的导线为室内的供电线路，则装置与导线之间的垂直距离y₁越小越好)，永磁体中心与提供能量的导线之间的最佳水平距离x₁为：满足公式dF_s/dx₀＝0时，使x₁＝x₀，永磁体中心与提供能量的导线平行方向的坐标z₁为任意值；

(7)将永磁体固定在压电悬臂梁的端部，使永磁体的中心位置为(x₁,y₁,z₁)，构成一个从导线磁场中采集能量的装置。

根据上述过程安装的采集能量的装置，由于对应的磁力矩与磁场力的复合磁耦合作用最强，因此使压电悬臂梁端部的形变为最大，则采集能量装置的功率输出最大。将压电悬臂梁的电极输出的交流电能通过整流稳压器转换为直流电能，为传感器等小功率负载直接提供稳定的直流电能，或为其内部电池、储能电容等充电。

本发明的一个实施例中，利用基于复合磁耦合效应的全新的非侵入式导线取能方式进行实际试验，通过上述过程计算出距离导线10mm垂直距离对应的最佳放置位置水平距离为6.48mm，该位置下磁场力耦合与磁力矩耦合实现最佳的配合并共同施加激励作用，这种复合磁耦合效应将同等垂直距离下单纯依靠磁力矩耦合方式的功率提高了8倍，同时也远高于同等距离单纯基于磁场力耦合的采集方式的输出功率。

Claims (1)

1.一种基于复合磁耦合效应的从导线磁场中采集能量的装置，其特征在于该装置的制备过程包括以下各步骤：

(1)该装置包括梁紧固件、压电悬臂梁、整流稳压器和永磁体，所述的梁紧固件用于使压电悬臂梁的一端固定在任意一个物体上，所述的永磁体固定在压电悬臂梁的另一端，压电悬臂梁由压电层和弹性层两层相互粘结而成，或由压电层、弹性层和压电层三层依次相互粘结而成，所述的压电层通过导线与整流稳压器相连，整流稳压器通过导线与能量使用装置相连；

将提供能量的导线的中心轴任意一点定义为三维坐标的原点O，永磁体中心在该三维坐标中的坐标为(x₀,y₀,z₀)，永磁体中心与梁紧固件之间的距离即等效压电悬臂梁长度为l_eff；

(2)通过以下公式计算由提供能量的导线中的电流产生的磁场中任一点(x,y,z)处的磁感应强度矢量B_e：

$B_e={\mathrm{\μH}}_e=\frac{{\mathrm{\μxI}}_{\mathrm{line}}}{2\mathrm{\π}(x^2+y^2)}{e}_x-\frac{{\mathrm{\μyI}}_{\mathrm{line}}}{2\mathrm{\π}(x^2+y^2)}{e}_y$

其中，I_line为提供能量的导线中的电流值，H_e为提供能量的导线中的电流产生的磁场中任一点(x,y,z)处的磁场强度矢量，μ为永磁体的磁导率，e_x和e_y分别为水平方向和竖直方向的单位向量；

(3)利用下式计算永磁体的每个微单元与提供能量的导线中电流产生的磁场之间耦合产生的磁场力ΔF和磁力矩Δτ：

Δτ＝|Δm×B_e|

$\mathrm{\ΔF}=\▿(\mathrm{\Δm}\·B_e)=\frac{\∂(\mathrm{\Δm}\·B_e)}{\∂x}{e}_x+\frac{\∂(\mathrm{\Δm}\·B_e)}{\∂y}{e}_y$

其中，Δm为永磁体微单元的磁矩，该磁矩的方向与永磁体的磁化强度M方向一致，

Δm＝MΔV，ΔV为永磁体微单元的体积，

对于压电悬臂梁，上述磁场力ΔF的有效磁场力分量为：

${\mathrm{\ΔF}}_y=\frac{\∂(\mathrm{\Δm}\·B_e)}{\∂y}$

(4)根据上述有效磁场力ΔF_y和磁力矩Δτ，通过下式计算得到永磁体受到的有效磁场力F_y和磁力矩τ：

$F_y=\underset{V}{\∫\∫\∫}{\mathrm{\ΔF}}_y=\underset{V}{\∫\∫\∫}\frac{\∂(\mathrm{\Δm}\·B_e)}{\∂y}$

$\mathrm{\τ}=\underset{V}{\∫\∫\∫}\mathrm{\Δ\τ}=\underset{V}{\∫\∫\∫}|\mathrm{\Δm}\×B_e|$

其中，V为永磁体的体积区域：

$V=\left\{(x,y,z)\right|x_0-\frac{L}{2}\≤x\≤x_0+\frac{L}{2},y_0-\frac{h}{2}\≤y\≤y_0+\frac{h}{2},z_0-\frac{b}{2}\≤z\≤z_0+\frac{b}{2}\}$

其中，L、b和h分别为永磁体的长、宽和高；

(5)利用下式，将上述得到的磁力矩τ等效为使压电悬臂梁产生相同形变的端部作用力F_eq：

F_eq＝3τ/2l_eff

其中，l_eff为等效压电悬臂梁长度；

进而得到的压电悬臂梁端部受力为F_s＝F_y+F_eq；

(6)根据提供能量的导线的类型，设定永磁体中心与提供能量的导线之间的最佳垂直距离为y₁，永磁体中心与提供能量的导线之间的最佳水平距离x₁为：满足公式dF_s/dx₀＝0时，使x₁＝x₀，永磁体中心与提供能量的导线平行方向的坐标z₁为任意值；

(7)将永磁体固定在压电悬臂梁的端部，使永磁体的中心位置为(x₁,y₁,z₁)，构成一个从提供能量的导线磁场中采集能量的装置。