CN106160395A - 一种基于电磁感应原理的pcb集成的导线磁场取能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置，包括：PCB板，所述PCB板包括：基板和线圈，所述基板限定出中间通孔，所述线圈设置在所述基板上且环绕所述中间通孔呈螺旋状分布；旋转永磁体组件，所述旋转永磁体组件可转动地嵌设在所述中间通孔内；固定永磁体，所述固定永磁体与所述旋转永磁体组件相对设置为所述旋转永磁体组件提供直流偏置磁场。根据本发明实施例的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置，通过导线的磁场和固定永磁体之间的磁场力矩驱动旋转永磁体组件旋转，从而将导线周围的磁场能转化为旋转永磁体的机械能，再转化为线圈的电能，进而为输电系统中的传感器等小功率电子设备提供电能。

Description

一种基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置
技术领域
本发明属于能量采集技术领域，特别涉及一种基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置。
背景技术
在智能电网成为研究热点的大背景下，多方面配套的关键技术得到深入发展。其中，输电系统的广域测量技术对电网安全运行、网损测量、潮流优化、故障定位具有重要意义。先进传感技术是输电系统的广域测量技术的基础。然而，现阶段输电系统中的传感应用主要集中在变电站等室内场合，对于长达上百公里的输配电线路的广域监测则鞭长莫及。输电系统广域监测和测量系统难以实现的最主要原因之一就是传感器的供电问题。
输电系统运行规模及复杂程度不断增大，输电线路跨度大，各类在线电力设备种类多样、数量庞大，配电网络分布复杂，这使得广域分布的传感器节点的安装和维护极度困难，也对传感器的供电系统提供了更加严苛的要求。
目前，输电系统传感器的能量供给方式主要有电流互感器(CT)线圈母线取能、电容分压式母线取能、太阳能供电、蓄电池供电、激光供电等方式。电流互感器(CT)线圈母线取能、电容分压式母线取能和蓄电池供电方式安装和维护不方便，且体积庞大，而太阳能供电和激光供电方式受环境影响且造价较高。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。
为此，本发明提出基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置，该基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置为完全非侵入设计，安装拆卸十分方便，且受环境影响小，安全性高。
根据本发明实施例的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置包括：PCB板，所述PCB板包括：基板和线圈，所述基板限定出中间通孔，所述线圈设置在所述基板上且环绕所述中间通孔呈螺旋状分布；旋转永磁体组件，所述旋转永磁体组件可转动地嵌设在所述中间通孔内；固定永磁体，所述固定永磁体与所述旋转永磁体组件相对设置为所述旋转永磁体组件提供直流偏置磁场。
根据本发明实施例的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置，通过导线的磁场和固定永磁体之间的磁场力矩驱动旋转永磁体组件旋转，从而将导线周围的磁场能转化为旋转永磁体的机械能，再转化为线圈的电能，进而为输电系统中的传感器等小功率电子设备提供电能。
另外，根据本发明实施例的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述PCB板设有多层所述线圈，每层所述线圈在上下方向依次排布。
根据本发明的一个实施例，相邻层的所述线圈通过串联或并联方式连接。
根据本发明的一个实施例，所述中间通孔为方形通孔，所述旋转永磁体组件设在所述方形通孔的两个相对侧壁之间。
根据本发明的一个实施例，所述导线磁场取能装置还包括两个固定件，两个所述固定件设在所述方形通孔的相对侧壁上，每个所述固定件设有第一定位孔，所述旋转永磁体组件的转轴伸入所述第一定位孔内。
根据本发明的一个实施例，所述旋转永磁体组件包括：旋转永磁体，所述旋转永磁体相对所述固定件的一侧设有第二定位孔，所述转轴的一端伸入所述第一定位孔内，所述转轴的另一端伸入所述第二定位孔内；轴承，所述轴承压接在所述第一定位孔内，所述轴承的内环与所述转轴的外周面配合，所述轴承的外环与所述第一定位孔的内周面配合。
根据本发明的一个实施例，所述固定件、轴承和所述转轴均为非导磁件。
根据本发明的一个实施例，所述导线磁场取能装置还包括壳体，所述PCB板设在所述壳体内，所述固定永磁体设在所述PCB板上。
根据本发明的一个实施例，所述固定永磁体为两个条形永磁体，两个所述条形永磁体设在所述PCB板的相对两侧。
根据本发明的一个实施例，所述固定永磁体为两个条形永磁体，两个所述条形永磁体设在所述PCB板的相对两侧，两个所述条形永磁体的延伸方向与所述旋转永磁体组件的轴线平行，所述旋转永磁体组件的轴向方向与所述导线的延伸方向相同。
根据本发明的一个实施例，所述旋转永磁体与所述方形通孔间隙配合。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置的结构示意图。
附图标记：
PCB板10；基板11；中间通孔111；线圈12；
旋转永磁体组件20；转轴21；旋转永磁体22；轴承23；
固定永磁体30；
固定件40；
导线200。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照图1描述根据本发明实施例的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置。该导线磁场取能装置邻近输电系统的导线200设置用于采集导线200中磁场能，并将磁场能转化成机械能后，再转化成电能，从而为输电系统的传感器等小功率电子设备提供电能。
根据本发明实施例的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置大体可以包括：PCB板10、旋转永磁体组件20和固定永磁体30。
具体地，如图1所示，PCB板10包括：基板11和线圈12，基板11限定出中间通孔111，线圈12设置在基板11上且环绕中间通孔111呈螺旋状分布。旋转永磁体组件20可转动地嵌设在中间通孔111内。固定永磁体30与旋转永磁体组件20相对设置为旋转永磁体组件20提供直流偏置磁场。其中，线圈12可以由内向外呈螺旋状分布在基板11上，线圈12也可以由外向内呈螺旋状分布在基板11上。内外是相对中心通孔111的中心位置而言的，线圈12靠近中心通孔111的中心轴线的一端为内端，线圈12远离中心通孔111的中心轴线的一端为外端。利用导线200产生的磁场与固定永磁体30之间的磁力矩的耦合作用，驱动旋转永磁体22做大幅度转动，并通过基板11上的线圈12进行能量采集。换言之，导线200所产生的磁场与固定永磁体30之间的磁力矩的作用下，旋转永磁体22在中间通孔111内旋转，引起线圈12内的磁通量发生变化，从而在线圈12内产生电流。其中，该导线磁场取能装置的输出端与传感器连接且邻近导线200设置。
根据本发明实施例的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置，通过导线200的磁场和固定永磁体30之间的磁场力矩驱动旋转永磁体组件20旋转，从而将导线200周围的磁场能转化为旋转永磁体22的机械能，再转化为线圈12的电能，进而为输电系统中的传感器等小功率电子设备提供电能。
线圈12中放置旋转永磁体22的取能方式不仅可以极大增强线圈12与外磁场的耦合，且导线磁场取能装置无需环绕导线200配置。灵活的配置方式在降低安装难度的同时，为导线磁场取能装置小型化、廉价化提供了可能。
相比于基于电流互感器、罗氏线圈或电容分压器导线取能的方式，本发明实施例的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置实现了完全非侵入设计，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。
整个导线磁场取能装置体积小，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。
本发明实施例的基于电磁感应原理的PCB集成的导线200磁场取能装置100工作时，将磁场能转换为机械能后转化为电能，磁场能直接转化为电能的部分很少，与现在广泛使用的将磁场能直接转化为电能的电流互感器相比，安全性能大大提升，输出能量与场强的变化率几乎无关，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，由于导线磁场取能装置工作时受固定永磁体30约束磁场的作用，旋转永磁体22转动极限角度和转动速度有限，在短路故障的情况下不会产生过高的输出电压损坏电路。
在本发明的一些实施例中，PCB板10设有多层线圈12，每层线圈12在上下方向依次排布。也就是说，PCB板10上集成有多层线圈12，大大提高了线圈12密度，旋转永磁体组件20旋转过程中可以同时改变多层线圈12内的磁通量，从而在多层线圈12内同时产生电流，增加了导线磁场取能装置的功率密度。此外，PCB集成和传感器的集成方式相统一，具有较高集成度。其中，相邻层的线圈12之间设有绝缘层，从而可以防止线圈12之间发生短路。
可选地，相邻层的线圈12通过串联方式连接。为了更好地说明，假设PCB板10设有上下依次排布的三层线圈12，顶层线圈12由内向外呈螺旋状分布在基板11上，顶层线圈12的起始端位于基板11的内侧，顶层线圈12的末端位于基板11的外侧。中间层线圈由外向内呈螺旋状分布在基板11上，中间层线圈的起始端位于基板11的外侧，中间层线圈的末端位于基板11的内侧。底层线圈12由内向外呈螺旋状分布在基板11上，底层线圈12的起始端位于基板11的内侧，底层线圈12的末端位于基板11的外侧。其中，顶层线圈12的末端与中间层线圈的起始端相连，中间层线圈的末端与底层线圈12的起始端相连，从而将三层线圈12通过串联方式连接起来，其中，顶层线圈12的起始端和底层线圈12的末端构成导线磁场取能装置的输出端与传感器等电子设备相连，进而将三层线圈12中产生的电能输送出去。
相邻层线圈12通过串联方式连接时，为了避免相邻层线圈12的电动势相互消减，相邻层线圈12的螺旋方向相反，例如，顶层线圈12为由内向外逆时针方向分布在基板11上，中层线圈12为由内向外顺时针方向分布在基板11上，底层线圈12为由内向外逆时针方向分布在基板11上。
可选地，相邻层的线圈12也可以通过并联方式连接。为了更好地说明，假设PCB板10设有上下依次排布的三层线圈12，顶层线圈12由内向外呈螺旋状分布在基板11上，顶层线圈12的起始端位于基板11的内侧，顶层线圈12的末端位于基板11的外侧。中间层线圈由内向外呈螺旋状分布在基板11上，中间层线圈的起始端位于基板11的内侧，中间层的末端位于基板11的外侧。底层线圈由内向外呈螺旋状分布在基板11上，底层线圈的起始端位于基板11的内侧，底层线圈的末端位于基板11的外侧。其中，顶层线圈12的起始端、中间层线圈的起始端和底层线圈的起始端相连，顶层线圈12的末端、中间层线圈的末端和底层线圈的末端相连，从而将三层线圈12通过并联方式连接起来，其中，顶层线圈12或底层线圈的起始端和末端可以作为导线磁场取能装置的输出端与传感器等电子设备相连，进而将三层线圈12中产生的电能输送出去。
相邻层线圈12通过并联方式连接时，为了避免相邻层线圈12的电动势相互消减，相邻层线圈12的螺旋方向相同，例如，顶层线圈12为由内向外逆时针方向分布在基板11上，中层线圈12为由内向外逆时针方向分布在基板11上，底层线圈12为由内向外逆时针方向分布在基板11上。
可以理解的是，上述实施例仅是示意性的，并不是对本发明实施例的限制，PCB板10上可以设有两层或四层以上的线圈12。其中，多层PCB板工艺为本领域技术人员所理解的，这里不再详述。
在本发明再一些实施例中，中间通孔111为方形通孔，旋转永磁体组件20设在方形通孔的两个相对侧壁之间。
进一步，导线磁场取能装置还可以包括两个固定件40，两个固定件40设在方形通孔的相对侧壁上，每个固定件40设有第一定位孔，旋转永磁体组件20的转轴21伸入第一定位孔内。如图1所示，固定件40的一侧与方形通孔的侧壁相连，固定件40的另一侧向方形通孔的中心方向延伸。第一定位孔由固定件40的另一侧向固定件40的一侧方向凹陷形成，旋转永磁体组件20的转轴21的轴向方向与第一定位孔的延伸方向相同。
在本发明的一个具体实施例中，旋转永磁体组件20包括：轴承23和旋转永磁体22。
旋转永磁体22相对固定件40的一侧(如图1中旋转永磁体22的左侧或右侧)设有第二定位孔，转轴21的一端伸入第一定位孔内，转轴21的另一端伸入第二定位孔内。换言之，旋转永磁体22与每个固定件40之间均上设有转轴21，每个转轴21的其中一端压接到第一定位孔内，另一端压接到第二定位孔内。
轴承23压接在第一定位孔内，轴承23的内环与转轴21的外周面配合，轴承23的外环与第一定位孔的内周面配合。通过在第一定位孔内设置轴承23，可以使得转轴21旋转过程中更加润滑，摩擦阻力小，用较小的驱动力就可以驱动旋转永磁体组件20旋转。
其中，固定件40、轴承23和转轴21均为非导磁件。例如，转轴21可以由铜材或铝材制备而成的，轴承23可以为陶瓷轴承。这样，可以避免导线200和固定永磁体30所产生的磁场作用于固定件40、轴承23和转轴21，进而避免旋转永磁体组件20的转动受到干扰。
可选地，旋转永磁体22与方向通孔间隙配合。由此，可以保证旋转永磁体22在磁场力的作用下在方形通孔内顺畅地旋转，并在线圈12内产生电流。
在本发明再一些实施例中，导线磁场取能装置还包括壳体(图未示出)，PCB板10设在壳体内，固定永磁体30设在PCB板10上。也就是说，PCB板10和设在PCB板10方形通孔内的旋转永磁体组件20均设在壳体内，PCB板10上设有与固定永磁体30相适配的容纳槽。可以理解的是，固定永磁体30也可以与PCB板10分开设置，即固定永磁体30和PCB板10分别设在壳体内，且固定永磁体30与旋转永磁体组件20相对设置，从而为旋转永磁体组件20提供直流偏置磁场。
可选地，如图1所示，固定永磁体30为两个条形永磁体，两个条形永磁体设在PCB板10的相对两侧。两个条形永磁体的延伸方向与旋转永磁体组件20的轴线平行，旋转永磁体组件20的轴向方向(如图1中的X轴方向延伸)与导线200的延伸方向相同，导线200所产生的磁场方向如图1中的Z轴方向，条形永磁体的充磁方向可以如图1中Y轴方向。由此，可以使得旋转永磁体22在导线200产生的磁场与固定永磁体30之间的磁力矩的耦合作用做大幅度转动，并通过基板11上的线圈12进行能量采集，为传感器等电子设备提供电能。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“、底”、“内”、“外”、“水平”、“轴向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置，其特征在于，包括：
PCB板，所述PCB板包括：
基板，所述基板限定出中间通孔；和
线圈，所述线圈设置在所述基板上且环绕所述中间通孔呈螺旋状分布；
旋转永磁体组件，所述旋转永磁体组件可转动地嵌设在所述中间通孔内；
固定永磁体，所述固定永磁体与所述旋转永磁体组件相对设置，以为所述旋转永磁体组件提供直流偏置磁场。
2.根据权利要求1所述的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置，其特征在于，所述PCB板设有多层所述线圈，每层所述线圈在上下方向依次排布。
3.根据权利要求2所述的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置，其特征在于，相邻层的所述线圈通过串联或并联方式连接。
4.根据权利要求1所述的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置，其特征在于，所述中间通孔为方形通孔，所述旋转永磁体组件设在所述方形通孔的两个相对侧壁之间。
5.根据权利要求4所述的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置，其特征在于，所述导线磁场取能装置还包括两个固定件，两个所述固定件设在所述方形通孔的相对侧壁上，每个所述固定件设有第一定位孔，所述旋转永磁体组件的转轴伸入所述第一定位孔内。
6.根据权利要求5所述的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置，其特征在于，所述旋转永磁体组件包括：
旋转永磁体，所述旋转永磁体相对所述固定件的一侧设有第二定位孔，所述转轴的一端伸入所述第一定位孔内，所述转轴的另一端伸入所述第二定位孔内；
轴承，所述轴承压接在所述第一定位孔内，所述轴承的内环与所述转轴的外周面配合，所述轴承的外环与所述第一定位孔的内周面配合。
7.根据权利要求6所述的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置，其特征在于，所述固定件、轴承和所述转轴均为非导磁件。
8.根据权利要求1-7任一项所述的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置，其特征在于，还包括壳体，所述PCB板设在所述壳体内，所述固定永磁体设在所述PCB板上。
9.根据权利要求8所述的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置，其特征在于，所述固定永磁体为两个条形永磁体，两个所述条形永磁体设在所述PCB板的相对两侧，两个所述条形永磁体的延伸方向与所述旋转永磁体组件的轴线平行，所述旋转永磁体组件的轴向方向与所述导线的延伸方向相同。
10.根据权利要求6所述的基于电磁感应原理的PCB集成的导线磁场取能装置，其特征在于，所述旋转永磁体与所述方形通孔间隙配合。
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