CN114499098B - 基于电动机外壳取磁能的微发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于电动机外壳取磁能的微发电方法，通过传感器底座的导磁金属与电动机外壳紧密接触，使传感器底座内也充满了磁场，变化的磁场通过设置在传感器底座上的线圈产生交流电能；为更多取得电动机外壳内的磁能，可单独或同时采用下列方法：在电动机外壳内预制取磁能用的通孔并预先安装好导磁金属；增加电动机外壳与导磁金属接触面积；导磁金属嵌入电动机外壳内；导磁金属设置在电机外壳的轴向中间位置。本发明利用引出来的磁场转换成了微电能，可持续发电并给无线传感器的电池充电，从而优化这些传感器的结构设计更加紧凑合理，利于这些传感器在电机附近的安装。
Description
技术领域
本发明属于微发电技术领域，具体是一种利用电机外壳的磁能发电的方法。
背景技术
目前在设备状态监测领域，用于监测电机轴承故障的无线振动传感器，其内部需要安装电池为无线传感器进行供电，虽然传感器的内部电路耗电量已经很少，但是由于无线传感器每天发送数据消耗的时间每次约3-5分钟，发送数据的时候以DC3V的电池为例，其消耗电流约12mA，待机状态时，无线传感器消耗电流约为50uA,即电池的使用寿命为2.5年左右，遇到特殊情况会更短。即无线类传感器面临定期、人工更换电池的弊端，如果传感器的安装数量比较多，且安装点又很分散，一次更换电池的时间和费用就很高，
当今也有很多微发电技术，如压电陶瓷发电，但其容量很小、内阻很大。也有很多动态线圈切割磁力线的发电机构也能发出微电力，但是需要发电机构做往复运动，及会产生非设备故障的振动，该振动信号也会被无线振动传感器采集(用于监测电机轴承故障振动信号)，即无线传感器采集的信号包含了发电机构的振动信号，无法将故障振动信号与发电振动信号分开，无法识别，导致振动测量不准确。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于电动机外壳取磁能的微发电方法，通过传感器底座的导磁金属与电动机外壳紧密接触，使传感器底座内增加磁场强度，变化的磁场通过设置在传感器底座上的线圈产生交流电能；
为更多取得电动机外壳内的磁能，可单独或同时采用下列方法：在电动机外壳内预制取磁能用的通孔并预先安装好导磁金属；增加电动机外壳与导磁金属接触面积；导磁金属嵌入电动机外壳内；导磁金属设置在电机外壳的轴向中间位置。
所述导磁金属嵌入电动机外壳的方法是利用已有盲孔或钻制盲孔。
传感器底座为中空的骨架，导磁金属设置在骨架的中心轴上，线圈缠绕在骨架上。
所述线圈与升压及整流电路连接。
所述导磁金属设置在电机外壳外时，导磁金属包括弧形部和柱型部，所述弧形部与电机外壳形状一致，紧密接触；柱型部沿电机外壳的径向设置并设置在骨架的中心轴上，柱型部与弧形部为整体结构。
升压及整流电路包括与线圈连接的升压线圈，升压线圈的输入端串联电容，升压线圈的输出端与整流桥连接，整流桥输出直流电源。
所述导磁金属与骨架间采用螺纹连接。
本发明的优点是：安装在传感器底座中的线圈是与底座一起静止不动的，只是固定在电动机的外壳上，通过导磁金属将机壳内的磁场引出到传感器底座发电线圈中间的金属柱中，而此磁场又是与电机转速同频率的变化磁场，正好利用法拉第电磁感应原理将引出来的磁场转换成了微电能，且没有因发电而带来额外的振动，只有一个静止的线圈，不会干扰无线传感器监测电机内部的故障振动。
本专利技术适合于用于电动机监测的各类无线微传感器，由于电机持续运行，利用本发电技术可持续发电并给无线传感器的电池充电，发电量可以达到甚至超过传感器的自身耗电量。不仅免去了更换电池的花费的成本，能够延长这些传感器内部电池的使用时间甚至减少电池体积和容量或者取消内部电池，减少了传感器的物理空间，从而优化这些传感器的结构设计更加紧凑合理，利于这些传感器在电机附近的安装。
附图说明
图1为发电装置的结构示意图；
图2为电动机内部旋转磁场简化图；
图3为电机外壳内的磁场分布图；
图4为电机端部的径向剖面上磁场强弱曲线图；
图5为是金属传感器底座放在电机外壳顶部的中部径向剖面上的分析结果曲线图；
图6为电机外壳预制取磁能用的通孔并预先安装好导磁金属的结构示意图；
图7为利用电机外壳的已有盲孔或钻制盲孔示意图；
图8为导磁金属包括弧形部和柱型部时的结构示意图；
图9为电机外壳有散热筋时的安装示意图；
图10为升压及整流电路图；
图中，1为骨架，2为线圈，3为导磁金属，31为弧形部，32为柱型部，33为附加部，4为螺纹，5为通孔，6为盲孔，8为电机外壳。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明。
一、电机外壳内的磁场分布
依据法拉第电磁感应定律，电磁感应现象是指因磁通量变化产生感应电动势的现象，例如，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，产生的电流称为感应电流，产生的电动势(电压)称为感应电动势。
电动机(Motor)是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子(如鼠笼式闭合铝框)形成磁电动力旋转扭矩。
电动机的定子绕组产生的磁场除了给转子提供一个旋转磁场外，与定子绕组紧邻的电机外壳内也会存在定子绕组的部分漏磁场，而且整个电机外壳的磁场极性也随着定子绕组产生的旋转磁场而同步旋转。由于电机外壳的外面就是空气，而空气的磁导率很低，机壳内的微量磁场很难在机壳外面传播很远。机壳内的磁场是有可以利用的磁能量的，根据法拉第效应，这变化的磁场通过周围的线圈就可以产生交流电能。
电动机内部的旋转磁场就够简化如图2所示。
通过ansysMaxwell静态磁场仿真软件仿真，电机外壳内的磁场分布如图3所示。从这个电动机剖面可以看到内部旋转的磁铁在电机外壳内也感应出了磁场。其磁场强弱的曲线如图4所示，虚线框内的磁场值就是电动机外壳内的磁场分布。从图4中可见，电动机外壳壳外，由于空气的磁导率很低，磁场强度迅速减少到零。
二、拓扑磁场区域，变机壳内磁场为可用磁场
一般的微传感器的底座都是金属材料，如果金属材料为导磁材料，当金属底座与电机外壳接触后，电机壳内的磁场就会进入与之接触的传感器底座内，磁场在加金属底座后的磁场示意图如图5所示。图中画圈区域内的磁场就是电动机外壳内的磁场由于外壳与传感器底座的导磁金属接触而使底座内也充满了磁场。
为了能够尽可能多的取得机壳内的磁能，可以单独或同时采用以下几种方式：
1、电机外壳预制取磁能用的通孔并预先安装好导磁的结构
如图6所示。这种预制的导磁孔和孔中的导磁金属会把高于机壳内部的高强度磁场带到导磁金属中，安装在外面的发电装置的金属底座再和孔中的导磁金属接触，这样发电装置的底座连同发电装置的金属芯就会有更高强度的交变磁通，在发电装置线圈匝数一定的情况下发出更高的电压，发出更多的电能。本结构特点：如果发电装置的底座面积可以增大，那么这个通孔的直径越大、通孔内的导磁金属直径越大，导磁的磁通量也越大，发电量也越多。也可以采用多个这种导磁通孔的方式增加导磁量。但需要提前预制“导磁孔”，即需在原电机外壳预制打孔，对于已投入使用的电机则难以取得电机机壳内的磁能。
2、利用电机外壳的已有盲孔或钻制盲孔
如图7所示，电机机壳顶部一般都有吊装用的螺纹孔，在电机安装后，吊装用的吊环可以先取出，这样这个孔就可以把带螺栓的金属底座旋进螺纹孔，同时发电装置的底座的地面也和电机外壳的金属部分充分接触，以取得更多的机壳内的磁通用来发电。本结构特点：避免提前预制打孔，利用电机原有的“吊装用的螺纹孔”，但发电装置的安装的螺纹需与目标电机的螺纹匹配。
3、发电装置的取能金属座与电机外壳充分接触取磁能
如果电机即没有预留取磁孔，也无法使用吊环孔，又无法在机壳外表面钻盲孔，则可采用图8这种方式，即把发电装置的底座尽可能与电机外表面的平面处贴紧，来取机壳内的磁能。导磁金属包括弧形部和柱型部，所述弧形部与电机外壳形状一致，紧密接触；柱型部沿电机外壳的径向设置并设置在骨架的中心轴上，柱型部与弧形部为整体结构。
电机外壳有散热筋时，采用图9所示的结构，导磁金属嵌入两个散热筋间，且在导磁金属的嵌入部分增加环绕导磁金属的附加部，以增加接触面积。
三、实施验证
3.1发电装置设计
为了验证这一结果，制备一个普通碳钢材质的发电装置实物，结构如图1所示；骨架缠绕铜线圈，以便收集中间的铁心内变化的磁通来产生交流电能。凹槽内的铜绕组的线规用的是0.41mm的铜漆包线，共绕制1000匝。
3.2验证测试
测试电机：选用4kW的2极水泵电机，工作时的额定电流为8A，额定转速约为50Hz。
电机外壳上有个吊环螺栓。
测试过程：取下电机外壳的吊环螺栓，将上面发电装置(含绕好的1000匝线圈)拧入该螺纹孔，零件的下底面和电机外壳中间平面部位充分接触。
测试用电机启动后，额定电流达到8A，发电线圈两个引出线间的空载电压为0.35V。线圈的直流电阻为11欧姆，线圈电感为150mH。
由于试验用电机电机是2极电机，额定转速约为50Hz。由于内部磁场旋转一圈，发电线圈内的磁场变化两次，故磁通变化频率为100Hz。
电感感抗ZL＝wL＝2*3.14*100*150/1000＝94.2Ω。
当线圈输出端接一个100欧姆的电阻，实际测量电阻的端电压为0.27V。
电阻此时的功率为P＝U2/R＝0.272/100*1000＝0.729mW。
测试结论：
(1)利用微发电技术的验证装置，可以将电机机壳内的磁能转换为电能。
(2)目前大多数用于电动机监测的无线微传感器待机功率为200uW左右，即0.2mW，利用微发电技术的验证装置所产生的电能完全满足无线微传感器的待机功耗，且有盈余。
3.3电机功率对发电效果的影响
测试电机为4kW的2极电机，发电线圈的输出电压超过0.27V。
将测试电机更换为8kW的2极电机，发电线圈的输出电压超过0.4V。
根据P＝U2/R，功率与电压的平方成正比，即电机功率越大，取磁发电的效果越好。
3.4安装位置对发电效果的影响
将发电装置分别放置在电机轴向偏左、中间、偏右三个位置上，分别测试三个位置的发电效果。
结论：中间位置处效果最好，偏左位置与偏右位置效果略差些。
当电机功率过大时，为调整获得的磁能，所述导磁金属与骨架间采用螺纹连接，这样可以调整导磁金属与电机壳体的距离，进而调整磁能的大小。
3.5整流输出电路
由于取磁发电线圈输出的是交流电能，而一般的传感器的工作电源是直流电池。为了能够给直流电池充电，必须将发电装置获得的交流电整流为直流电。
发电线圈的初始电压一般为小于1V，需要先通过全波整流桥转换为直流，而全波整流桥导通时需要经过两个二极管，每个二极管的导通压降约为0.6V，两个二极管的总压降约为1.2V，这就需要把线圈的初始电压先升压，再经过全波整流桥转换为直流，即实现发电装置为无线微传感器直流电池充电的功能。
利用变压器反升压原理，升压比为220V/9V＝24.4。
从发电线圈到整流输出再到负载的电气原理图如下图10。
为了更多地将发电装置所得到的电能利用起来，同时为了降低发电线圈的阻抗，在线圈到变压器线圈的回路中串联一个无极性电容C1，用来抵消发电线圈的电感。发电线圈的电感为150mH，交流频率f＝100Hz，根据“感抗＝容抗”的基本公式计算，得出C＝18uF。选择18uF的无极性电容C1。
变压器输出端为了能够得到发电功率，用100欧姆的电阻R来模拟负载。
取电装置在4kW的电机运行后，测量得到R的端电压为0.32V，则此时的发电功率为：
P＝U2/R＝0.322/100＝1.024mW
即利用微发电技术的验证装置所产生的交流电，经过整流电路，能够为无线微传感器的直流电池充电，满足无线微传感器的待机功耗，且有盈余。
有益效果
本发明安装在传感器底座中的线圈是与底座一起静止不动的，只是贴在电动机的外壳上而已，通过金属的接触将机壳内的磁场引出到传感器底座发电线圈中间的金属柱中，而此磁场又是与电机转速同频率的变化磁场，正好利用法拉第电磁感应原理将引出来的磁场转换成了微电能，且没有因发电而带来额外的振动，只有一个静止的线圈，不会干扰无线传感器监测电机内部的故障振动。
本发明适合于用于电动机监测的各类无线微传感器，由于电机持续运行，利用本发电技术可持续发电并给无线传感器的电池充电，发电量可以达到甚至超过传感器的自身耗电量。不仅免去了更换电池的花费的成本，能够延长这些传感器内部电池的使用时间甚至减少电池体积和容量或者取消内部电池，减少了传感器的物理空间，从而优化这些传感器的结构设计更加紧凑合理，利于这些传感器在电机附近的安装。
Claims (4)
1.基于电动机外壳取磁能的微发电方法，其特征在于：通过传感器底座的导磁金属与电动机外壳紧密接触，使传感器底座内增加磁场强度，变化的磁场通过设置在传感器底座上的线圈产生交流电能；
为更多取得电动机外壳内的磁能，在电动机外壳内预制取磁能用的通孔并预先安装好导磁金属；增加电动机外壳与导磁金属接触面积；导磁金属嵌入电动机外壳内；导磁金属设置在电机外壳的轴向中间位置；
所述导磁金属嵌入电动机外壳的方法是利用已有盲孔或钻制盲孔；
传感器底座为中空的骨架，导磁金属设置在骨架的中心轴上，线圈缠绕在骨架上；
所述导磁金属设置在电机外壳外时，导磁金属包括弧形部和柱型部，所述弧形部与电机外壳形状一致，紧密接触；柱型部沿电机外壳的径向设置并设置在骨架的中心轴上，柱型部与弧形部为整体结构。
2.根据权利要求1所述的基于电动机外壳取磁能的微发电方法，其特征在于：所述线圈与升压及整流电路连接。
3.根据权利要求1所述的基于电动机外壳取磁能的微发电方法，其特征在于：升压及整流电路包括与线圈连接的升压线圈，升压线圈的输入端串联电容，升压线圈的输出端与整流桥连接，整流桥输出直流电源。
4.根据权利要求1所述的基于电动机外壳取磁能的微发电方法，其特征在于：所述导磁金属与骨架间采用螺纹连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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