CN112187006B - 电力传感器及其基于mems的电力设备振动微能量采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明电力传感器及其基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，所述装置包括拾振永磁体、支撑梁、固定元件和线圈；拾振永磁体通过支撑梁连接在固定元件上；支撑梁呈刚性且呈蛇形折叠设置，蛇形折叠平面与拾振永磁体的运动方向垂直；线圈固定连接在固定元件上，且与拾振永磁体的一端间隔设置。通过将刚性的支撑梁通过蛇形折叠设置，形成刚柔结合梁，对拾振永磁体进行支撑并传递电力系统中的低频振动，通过蛇形折叠能够有效降低支撑梁的刚度，降低整个装置的谐振频率，实现采集环境中的低频振动能量；同时蛇形折叠通过多次的弯曲能够有效拓展工作频带，提高能量采集效率，使得装置本身的体积小巧，可在较低的环境振动中实现较高的能量输出。

Description

电力传感器及其基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置

技术领域

本发明涉及电力传感技术领域，具体为一种电力传感器及其基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置。

背景技术

振动能量收集技术是获取环境振动能量并通过微型振动能量收集器将振动能量转换为电能的技术。根据环境振动能量不同的转换机理，微型振动能量收集器主要分为静电振动能量收集器、磁致伸缩振动能量收集器、压电振动能量收集器和电磁振动能量收集器四种；但多处于实验室研究阶段。

静电式振动能量采集器需要外加电源；磁致伸缩式振动能量采集器难以实现微型化。

压电式振动能量采集器具备一定的技术成熟性；压电式振动能量采集器的工作原理是基于压电功能材料的正压电效应，实现将周围环境中的机械振动能转换为电性能。当向压电式振动能量采集器微结构上的压电功能材料施加机械振动力，使压电功能材料产生变形，压电功能材料的内部产生极化现象，在其上下两个表面上形成等量、异号的束缚电荷，形成电势差，产生电信号，电荷的密度与所施加的机械振动力存在着线性正比关系。压电式振动能量采集器具备输出电压较高、结构设计简单紧凑、能量转换效率高、适合采集所有尺寸的能量、与 MEMS 加工技术相兼容、环境适应性强、适合低频段振动发电等优点；但是同时具有良好力学特性和高压电系数的压电材料很难获得，且存在退极化现象；由于压电材料的输出阻抗较高，导致其输出功率较小。

相比较而言，电磁式振动能量采集器比其余实现技术可输出更高的电压和电流，结构简单，无需功能材料，不需要外加电源，在低频振动环境中能够表现出较好的输出性能，具有较大的应用潜力。其通过环境振动来改变永磁体和磁感线圈的相对位置而产生感应电势。

电磁式振动微能量采集器的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。在外界振动作用下，磁体和线圈之间产生相对运动，感应线圈中的磁通量发生变化，在线圈中产生感应电动势并引起感应电流，从而将振动能量转化成为电能。根据振动组件的不同，电磁式振动微能量采集器可分为：线圈振动型、磁铁振动型、磁铁和线圈皆振型三种。线圈振动型是指在能量采集器中磁铁固定，在外界加速度作用下，感应线圈相对于磁铁产生振动。磁铁振动型是指线圈固定不动，在外界激励下，磁铁相对于线圈运动。磁铁与线圈同振型是指在能量收集器中磁铁与线圈都可以发生振动，但由于两者之间运动频率和状态不同，仍然存在相对的运动，从而使线圈中产生感生电动势。

电磁式振动微能量采集器具有结构简单，无需功能材料，不需要外加电源，输出电流较大等优点，且在低频振动环境中能够表现出较好的输出性能，但其输出电压较低、加工工艺与MEMS工艺兼容性差。因此，近些年对电磁式振动微能量采集器的研究主要集中在提高其输出电压、永磁材料和微型线圈的精细加工以及拓展其工作频带宽度的方向。

同时，由于电磁式振动微能量采集器中电磁能量的转换只与磁链变化率和相对速度相关，电磁器件不受疲劳强度造成的振幅限制，在拾振结构选择中只需考虑弹簧特性，而在压电振动能量收集器的拾振结构选择则需要综合考虑的弹簧特性和压电特性。这一特性使得电磁式振动微能量采集器的拾振结构设计更灵活，易于利用结构的非线性实现工作频带拓展，更易实现在电网中的实际应用。

然而传统的电磁的能量采集器由于对线圈匝数和永磁体尺寸要求较高，因此普遍尺寸较大且应用有限。随着微型机电系统（MEMS）和微加工技术的迅猛发展，线圈和永磁体逐渐实现了平面化和微型化，拓展了新型高性能电磁能量采集器的研究方向，进而使其更加接近实用化。目前，采用无线形式部署的电力传感器供能手段较为单一，尤其在室外等恶劣环境下取能手段受限，制约了各类传感器的大量部署。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供电力传感器及其基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，结构简单，设计合理，尺寸小巧，能够在较低的环境振动中实现较高的能量输出。

本发明是通过以下技术方案来实现：

基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，包括拾振永磁体、支撑梁、固定元件和线圈；

所述的拾振永磁体通过支撑梁连接在固定元件上；

所述的支撑梁呈刚性且呈蛇形折叠设置，蛇形折叠平面与拾振永磁体的运动方向垂直；

所述的线圈固定连接在固定元件上，且与拾振永磁体的一端间隔设置。

优选的，还包括质量块；所述的质量块与拾振永磁体键合固定，质量块连接支撑梁的一端。

进一步，所述的质量块和支撑梁呈一体设置。

进一步，所述的质量块和支撑梁均由硅制成。

进一步，所述的拾振永磁体呈圆柱形，质量块呈圆环状，质量块套设在拾振永磁体的上端。

再进一步，所述的线圈同轴设置在拾振永磁体的一端，支撑梁沿拾振永磁体的径向呈蛇形折叠设置。

优选的，所述的支撑梁对称设置在拾振永磁体上。

优选的，拾振永磁体采用钕铁硼磁体制成。

优选的，所述的固定元件呈平板状；拾振永磁体上端通过支撑梁共面设置在固定元件的中部开孔内。

优选的，所述的固定元件采用FR4板材制成。

优选的，所述的线圈包括多个沿轴向叠加的线圈单元。

再进一步，多个线圈单元串联连接。

一种电力传感器，包括如上任意一项所述基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，用于电力传感器的取能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明中通过将刚性的支撑梁通过蛇形折叠设置，形成刚柔结合梁，对拾振永磁体进行支撑并传递电力系统中的低频振动，通过蛇形折叠能够有效降低支撑梁的刚度，进一步降低整个装置的谐振频率，从而能够实现采集环境中的低频振动能量；同时蛇形折叠通过多次的弯曲能够有效拓展振动微能量采集装置的工作频带，提高能量采集效率，使得装置本身的体积小巧，可在较低的环境振动中实现较高的能量输出。

进一步的，通过设置的叠层式线圈组合，实现线圈匝数的成倍增长，有效提高输出电压。

附图说明

图1为本发明实例中所述的振动微能量采集装置的结构俯视图；

图2为本发明实例中所述的振动微能量采集装置的结构侧视图；

图中：拾振永磁体1；支撑梁2；固定元件3；线圈4。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

现有技术中，振动微能量采集器通过将振动场景下的机械能转换为电能。主要包含两部分：一是受振源激励从振源吸收振动能量转化为振动微能量采集器振子动能和弹性势能的拾振系统，二是将振子的运动机械能转化为电能的机电能量转换系统。根据振动源作用的位置不同，可以分为两类：一是直接作用于振子的力激励；二是由支撑物运动引起的基础激励。本发明所述的振动微能量采集装置，由于能量采集器应用于电网场景，封装于传感器内部，其属于支撑物运动而引起的激励。

本发明所述振动微能量采集装置的结构属于动铁式振动能量采集器，包括拾振永磁体1、线圈4、支撑梁2、固定元件3四个部分。振动能量通过固定元件3传递至拾振永磁体1上，拾振永磁体1将产生振动，引起线圈4中磁通量的变化。根据法拉第电磁感应定律，在线圈4中即可产生感应电压。结构如图1和图2所示。

如图1和图2所示，拾振永磁体1为圆形钕铁硼材质，基于干法刻蚀进行刚性质量块的制备，拾振永磁体1通过键合固结于硅质量块的下方，形成整体刚性的可动质量块，并通过支撑梁2与固定元件3连接，固定元件3为环氧玻璃布层压板，即FR4板材。当有外界振动时，拾振永磁体1在外界振动下发生谐振，下方放置的线圈4被动切割磁体磁感线，从而产生感应电动势。

进而，为了增加线圈4中输出电性能，需要尽可能地增加拾振永磁体1的振动振幅，同时要求保证拾振永磁体1在共振状态时运动方向是垂直线圈4表面。因此，在结构中设置对称性支撑梁2。对于电网振动场景，设备特征振动频率较低，为保证在低频下具有较大的振幅，采用弯曲形式的刚柔结合梁对永磁体进行支撑。支撑梁2采用硅材质，通过干法刻蚀工艺实现。在结构上梁的折叠数两端均折叠四次，有效降低梁的刚度，进一步降低整个器件的谐振频率，实现采集环境中的低频振动能量。

当外界环境的振动频率与能量采集器的谐振频率一致时发生共振，此时能量采集器的采集效率最高。但是，这种能量采集器的一个明显缺点是工作频率范围非常窄，环境频率稍作改变，其采集效率急剧降低。通过刚柔结合支撑梁的设计，可有效拓展振动微能量采集装置的工作频带，提高能量采集效率。

现有的振动微能量采集器往往只能采集一种振动模态，无法适用多种振动模态。本发明所述振动微能量采集装置由于刚柔结合支撑梁2的设计为折叠型梁，除弯曲外还存在扭转自由度，引入了其余自由度，多自由度刚柔结合梁的结构设计，进一步拓展谐振频带，实现在宽频带内振动能量的获取。支撑梁2的结构在不同激励频率下的振动形式也将发生变化，可形成多模态振动，包括弯曲模态、扭转模态等各阶振型，可实现在不同频率点上形成共振，进一步拓展振动采集器的谐振范围。

同时，在拾振永磁体1下方放置叠层线圈4。线圈4采用铜材质绕制，线圈4包括多个沿轴向叠加的线圈单元，每个线圈单元的接线端裸露铜片和与之相连的线圈单元裸露铜片相互连接，最后通过夹板将多个线圈单元固定实现串联，从而通过多个线圈单元的叠加实现线圈4匝数的成倍增长，有效提高输出电压。

总的来说，本发明所述基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，通过对叠层设置的线圈4，将支撑梁2通过折叠弯曲设置变为低刚度的刚柔结合梁，增加永磁体振幅，实现器件在低振动能量密度下的相对高能量输出。

本优选实例中，本发明所述振动微能量采集装置中，各元件尺寸的变化，包括线圈4匝数、内外边长、线宽和间距，拾振永磁体1的高度和半径，拾振永磁体1与线圈4的间距，均能够根据具体的设计需求进行适应性的变化，该变化均属于本发明的保护范围。

现有的电力传感器取能手段仍较为受限。通过本发明所述基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，基于叠层式线圈组及刚柔结合梁对电磁能量进行采集，装置器件尺寸在1立方厘米以下，可在较低的环境振动中实现较高的能量输出。

本发明还进一步的提供一种电力传感器，通过将上述的基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置用于电力传感器的取能，从而能够丰富振动场景下各类电力专用传感器的取能手段，可实现机械能与电能的较高效率转换，为传感器提供可靠电源。

本发明还进一步的提供一种微型机电系统MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem，其是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。通过基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置可实现敏感元件、信号处理、数据分析的系统化封装，进一步提高集成度，减小功耗，显著减小对一次设备的影响。

面对未来数百万套电力传感器的应用规模，本发明成果对于提升电网设备监测技术水平、提高电网全面感知能力、保障能源输送安全方面具有重大的经济效益和社会效益。

Claims (11)

1.基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，其特征在于，包括拾振永磁体（1）、支撑梁（2）、固定元件（3）和线圈（4）；

所述的拾振永磁体（1）通过支撑梁（2）连接在固定元件（3）上；

所述的支撑梁（2）呈刚性且呈蛇形折叠设置，蛇形折叠平面与拾振永磁体（1）的运动方向垂直；

所述的线圈（4）固定连接在固定元件（3）上，且与拾振永磁体（1）的一端间隔设置；

所述的线圈（4）呈叠层设置，包括多个沿轴向叠加的线圈单元，多个线圈单元串联连接；

拾振永磁体（ 1） 在共振状态时运动方向是垂直线圈（ 4） 表面；

所述装置尺寸在1立方厘米以下。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，其特征在于，还包括质量块；所述的质量块与拾振永磁体（1）键合固定，质量块连接支撑梁（2）的一端。

3.根据权利要求2所述的基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，其特征在于，所述的质量块和支撑梁（2）呈一体设置。

4.根据权利要求2所述的基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，其特征在于，所述的质量块和支撑梁（2）均由硅制成。

5.根据权利要求2所述的基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，其特征在于，所述的拾振永磁体（1）呈圆柱形，质量块呈圆环状，质量块套设在拾振永磁体（1）的上端。

6.根据权利要求5所述的基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，其特征在于，所述的线圈（4）同轴设置在拾振永磁体（1）的一端，支撑梁（2）沿拾振永磁体（1）的径向呈蛇形折叠设置。

7.根据权利要求1或6所述的基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，其特征在于，所述的支撑梁（2）对称设置在拾振永磁体（1）上。

8.根据权利要求1所述的基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，其特征在于，拾振永磁体（1）采用钕铁硼磁体制成。

9.根据权利要求1所述的基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，其特征在于，所述的固定元件（3）呈平板状；拾振永磁体（1）上端通过支撑梁（2）共面设置在固定元件（3）的中部开孔内。

10.根据权利要求1或9所述的基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，其特征在于，所述的固定元件（3）采用FR4板材制成。

11.一种电力传感器，其特征在于，包括如权利要求1-10任意一项所述基于MEMS的电力设备振动微能量采集装置，用于电力传感器的取能。

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