CN115378220A - 电磁与摩擦复合式能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁与摩擦复合式能量收集器，包括：至少一个能量收集机构；能量收集机构包括壳体、至少一个发电机构；壳体包括壳体外部和壳体内部，壳体外部与壳体内部之间形成容纳腔，至少一个发电机构设于容纳腔内；发电机构包括弧形质量块和至少一个发电组件，发电组件包括线圈、折叠弹簧和磁铁，线圈设置于壳体内部的外侧壁，折叠弹簧的一端连接于壳体外部的内侧壁，折叠弹簧上设有至少一个第一摩擦材料和至少一个第二摩擦材料，磁铁对着线圈，折叠弹簧的另一端和磁铁均能够跟随弧形质量块运动，第一摩擦材料和第二摩擦材料接触与分离实现摩擦发电，且磁铁的磁感线切割线圈实现电磁发电。本发明实现复合式、多方向多频率宽频带的能量收集。
Description
技术领域
本发明涉及能量收集技术领域，尤其涉及一种电磁与摩擦复合式能量收集器。
背景技术
输电线缆是电力系统的动脉，其运行状态直接影响到电力系统的安全性。国内外研究学者倾注大量精力用于实现对高压电缆运行状态参数的监测。但是，这些监测终端设备的供电技术问题成为限制这一领域发展的瓶颈。监测终端设备因长期暴露于野外无法采用传统市电供电。
目前针对高压电缆状态监测终端设备的供能方式主要为太阳能电池供电以及蓄电池供电。太阳能发电技术相对比较成熟，但安装成本高、维护难度大，且性能容易受到昼夜、季节、地理纬度等自然条件的影响。蓄电池虽然供电性能稳定且价格便宜，但是续航寿命短、日常维护频繁，附加成本过高。国内外针对电缆振动与磁场产生的能量也进行了研究，相关装置采用的换能机制主要包括三种形式：压电式、电磁式和纳米摩擦电式。压电式换能通过压电材料的正压电效应实现，外力影响导致压电材料产生应变，材料内部电荷发生偏移，上下表面聚集异号电荷从而形成电势差，实现发电。电磁式换能机制基于法拉第电磁感应定律，当磁体与线圈产生相对位移，线圈内部的磁通量便会发生变化，此时线圈两端即可产生感应电动势。纳米摩擦发电换能机制的工作原理是当一种易得电子材料与一种易失去电子材料发生接触、分离或碰撞运动时，材料表面的电荷由易失电子材料向易得电子材料转移，并通过其中一种材料经过金属电极产生电流，从而实现发电。
针对输电线缆的振动能源及交变磁场能源，现有的能源收集装置存在换能机制单一的问题，导致换能效率低、电能存储难度大。例如，电磁式换能机制的输出特性为低电压、高电流，摩擦电式换能机制的输出特性为高电压、低电流。此外，电缆在实际环境中因振动以及磁场导致的运动频率范围广，而传统的能源收集装置工作频率单一，无法实现多方向及宽频带的俘能，输出功率低，难以满足电缆状态监测终端设备的电能需求。电缆在环境中除了因环境因素产生的振动能量，其自身因电能传输亦会产生磁场能量，目前的能量收集装置尚未实现对两种能量的同步复合收集。所以目前亟需提出一种多种换能机制复合、具备宽频带特性的高密度振动能量收集器，可作为对现有技术的重要补充。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种电磁与摩擦复合式能量收集器。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种电磁与摩擦复合式能量收集器，包括：
至少一个能量收集机构；
所述能量收集机构包括壳体、至少一个发电机构；
所述壳体包括壳体外部和壳体内部，所述壳体外部与壳体内部之间形成容纳腔，所述至少一个发电机构设于所述容纳腔内；
所述发电机构包括弧形质量块和至少一个发电组件，所述发电组件包括线圈、折叠弹簧和磁铁，所述线圈设于所述壳体内部的外侧壁，所述折叠弹簧的一端连接于所述壳体外部的内侧壁，所述折叠弹簧上设置有至少一个第一摩擦材料和至少一个第二摩擦材料，所述磁铁对着所述线圈，所述折叠弹簧的另一端和磁铁均能够跟随所述弧形质量块运动，所述第一摩擦材料和第二摩擦材料接触与分离实现摩擦发电，且所述磁铁的磁感线切割所述线圈实现电磁发电。
作为本发明的进一步改进，所述发电机构还包括夹层壳，所述夹层壳的外侧壁贴附于所述壳体外部的内侧壁，所述折叠弹簧的一端连接于所述夹层壳的内侧壁。
作为本发明的进一步改进，所述夹层壳呈圆弧形。
作为本发明的进一步改进，所述折叠弹簧的另一端与所述磁铁相连接，所述磁铁连接于所述弧形质量块的外侧壁。
作为本发明的进一步改进，所述壳体外部的至少一端与所述壳体内部的至少一端连接有侧板。
作为本发明的进一步改进，所述壳体外部、壳体内部均呈圆弧形。
作为本发明的进一步改进，所述壳体外部的边缘处设置有至少一个支板，所述支板上设置有安装孔。
作为本发明的进一步改进，所述发电机构包括弧形质量块和两个发电组件，两个所述发电组件的轴线之间形成夹角。
作为本发明的进一步改进，所述能量收集机构包括壳体、至少两个发电机构，所述至少两个发电机构沿所述壳体的轴向分布，所述至少两个发电机构的折叠弹簧的厚度和/或弧形质量块的大小不相同。
作为本发明的进一步改进，所述折叠弹簧包括一体折叠而成的多个折叠板，所述第一摩擦材料、第二摩擦材料分别设置在相邻两个所述折叠板的相对板面上。
本发明的有益效果是：
(1)在电缆受风力等因素影响产生振动时使得弧形质量块晃动，能够带动折叠弹簧和磁铁一起运动，折叠弹簧采用聚酰亚胺材料，折叠弹簧上分别贴附铜膜与聚四氟乙烯膜，在折叠弹簧压缩与拉伸的过程中实现纳米摩擦发电，同时磁感线切割线圈，实现电磁发电，从而构成电磁-纳米摩擦复合式换能机制耦合，提升能量收集器的输出功率。
(2)通过调整折叠弹簧的厚度以及弧形质量块的大小实现能量收集器在不同频率激励下均能保持高效俘能，每个发电机构采用双折叠弹簧并阵列化布局，可以实现多方向多频率宽频带的能量收集。
(3)输电线缆受环境因素影响会发生振动，该能量收集器通过内部的折叠弹簧与弧形质量块实现对振动能的高效收集；输电线缆在电力传输过程中会产生交变磁场能，磁铁可响应交变磁场的激励，相对于线圈运动，实现磁场能的有效收集，实现振动能和电磁场能多能源互补，实现能量收集器的高功率输出。
(4)本发明通过俘获环境能量，将收集到的能量转化为电能并提供给电缆状态监测终端设备，实现监测终端设备的完全自供电工作，对解决电缆状态监测终端设备的供能续航瓶颈问题具有重要的价值，该供电技术可辅助电缆状态监测终端设备实现长期免维护的工作，大幅度延长设备维护及回收周期，节约人工成本，实现对电缆运行状态的全天候有效感知，为实现监测系统的实时感知、主动预警等方面提供技术支撑，推动设备智能化升级，提高电网的安全保障能力，推动电网监测设备的联网建设。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的优选实施例的能量收集机构的结构示意图；
图2为本发明的优选实施例的壳体内部设置线圈的结构示意图；
图3为本发明的优选实施例的发电组件与夹层壳体的结构示意图；
图4为本发明的优选实施例的低频发电机构、中频发电机构、高频发电机构阵列排布的结构示意图；
图5为本发明的优选实施例的折叠弹簧的结构示意图；
图6为本发明的能量收集器安装在电缆上的结构示意图；
图7为本发明的两个能量收集机构装配前的结构示意图；
图8为本发明的优选实施例的能量收集器安装在电缆上的内部侧视图；
图中：1、能量收集机构，10、壳体，101、壳体外部，102、壳体内部，103、容纳腔，104、侧板，105、支板，106、安装孔，201、弧形质量块，202、线圈，203、折叠弹簧，204、磁铁，206、第一摩擦材料，207、第二摩擦材料，210、夹层壳，211、折叠板，21、低频发电机构，22、中频发电机构，23、高频发电机构，2、电缆。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图3、图5、图8，本申请实施例公开了一种电磁与摩擦复合式能量收集器，包括：
至少一个能量收集机构1；
能量收集机构1包括壳体10、至少一个发电机构；
壳体10包括壳体外部101和壳体内部102，壳体外部101与壳体内部102之间形成容纳腔103，至少一个发电机构设于容纳腔103内；
发电机构包括弧形质量块201和至少一个发电组件，发电组件包括线圈202、折叠弹簧203和磁铁204，线圈202设于壳体内部102的外侧壁，折叠弹簧203的一端连接于壳体外部101的内侧壁，折叠弹簧203上设置有至少一个第一摩擦材料206和至少一个第二摩擦材料207，磁铁204对着线圈202，折叠弹簧203的另一端和磁铁204均能够跟随弧形质量块201运动，第一摩擦材料206和第二摩擦材料207接触与分离实现摩擦发电，且磁铁204的磁感线切割线圈202实现电磁发电。
当能量收集器受外界因素影响产生振动，弧形质量块201因惯性力产生晃动，容纳腔103内的折叠弹簧203会随之被压缩与拉伸，由于第一摩擦材料206与第二摩擦材料207的电负性相异，这样在压缩与拉伸过程中，第一摩擦材料206和第二摩擦材料207产生接触与分离运动实现纳米摩擦发电，同时，磁铁204会随弧形质量块201一起运动，磁铁204的磁感线切割线圈202，实现电磁发电。
为了便于发电机构20设置于壳体10内，优选发电机构还包括夹层壳210，夹层壳210的外侧壁贴附于壳体外部101的内侧壁，折叠弹簧203的一端连接于夹层壳210的内侧壁。优选夹层壳210呈圆弧形，便于与折叠弹簧203的一端稳固连接。
在本实施例中，折叠弹簧203的另一端与磁铁204相连接，磁铁204连接于弧形质量块201的外侧壁。可以理解的是，也可以将折叠弹簧203、磁铁204分别设于弧形质量块201的外侧壁、内侧壁。
为了便于壳体外部101与壳体内部102之间连接的强度和稳定性，优选壳体外部101的至少一端与壳体内部102的至少一端连接有侧板104。
优选壳体外部101、壳体内部102均呈圆弧形，便于安装在电缆上，且沿电缆分布均匀，提高振动的平稳性，便于后续各频率发电的稳定实现。同时夹层壳210呈圆弧形，由于壳体外部101与壳体内部102之间形成的容纳腔103的空间的限制，可以先在容纳腔103外将折叠弹簧203的一端连接在夹层壳210的内侧壁，方便快捷，由于夹层壳210与壳体外部101均呈圆弧形，夹层壳210的外径与壳体外部102的内径一致，夹层壳210与壳体外部101形配合，可以将夹层壳210更快速地贴附固连在壳体外部101的内侧壁，提高工作效率。
为了便于将该能量收集器限位在电缆上，优选壳体外部101的边缘处设置有至少一个支板105，支板105上设置有安装孔106。
在本实施例中，发电机构20包括弧形质量块201和两个发电组件，两个发电组件的轴线之间形成夹角。每个发电机构20通过两个折叠弹簧203拉着弧形质量块201，提高弧形质量块201晃动的稳定性，从而提高磁铁204运动的稳定性以及折叠弹簧203压缩与拉伸的稳定性，提高发电性能，同时两个发电组件的轴线之间形成夹角，便于不同方向的能量收集。优选两个发电组件的轴线之间的夹角为90°，但并不局限于90°，可以根据需要进行调整。
能量收集机构1包括壳体10、至少两个发电机构，至少两个发电机构沿壳体10的轴向分布，至少两个发电机构的折叠弹簧203的厚度和/或弧形质量块201的大小不相同。通过调整折叠弹簧203的厚度和/或弧形质量块201的大小可以实现各发电机构具有不同的特征频率，在不同的频率的外界激励下，实现宽频带俘能，同时，折叠弹簧203、磁铁204和线圈202均在圆周上对称布置，并阵列布置至少两个发电机构，更好地实现电缆不同频率、不同方向的高效能量收集。
在本实施例中，折叠弹簧203包括一体折叠而成的多个折叠板211，第一摩擦材料206、第二摩擦材料207分别设置在相邻两个折叠板211的相对板面上。折叠弹簧203的厚度指的是折叠板211的厚度。
以该能量收集器安装在电缆2上为例，对本发明实施例做进一步地说明。请参阅图6-图8，能量收集器包括两个能量收集机构1，当两个能量收集机构1组装在电缆2上时，两个能量收集机构1的壳体内部102包覆在电缆2外，两个能量收集机构1的壳体10上的支板105对接，通过螺栓或螺钉穿过两个安装孔106与螺母配合锁紧，或者通过销钉锁紧，实现将能量收集器稳固在电缆2上。为了更好地实现多方向宽频带俘能，两个线圈202的轴线之间的夹角为90°，两个折叠弹簧203的轴线之间的角度为90°，两个磁铁204的轴线之间的角度为90°。如图4所示，设置三个发电机构分别为低频发电机构21、中频发电机构22、高频发电机构23。其中，低频发电机构21的折叠弹簧203的厚度为0.5mm、弧形质量块201的扇形角度为180°，中频发电机构22的折叠弹簧203的厚度为0.75mm、弧形质量块201的扇形角度为150°，高频发电机构23的折叠弹簧203的厚度为1mm、弧形质量块201的扇形角度为120°。设置折叠弹簧203采用聚酰亚胺材料折叠而成，耐磨性好，便于弯折，但并不局限于聚酰亚胺材料，也可以为金属或者塑料材质。第一摩擦材料206为铜膜，第二摩擦材料207为聚四氟乙烯膜。可以理解的是，折叠弹簧203的材料、折叠板211的厚度以及折叠板211的数量均可根据需要进行调整，以提升纳米摩擦发电性能。
将该能量收集器安装在户外高压电缆2使用时，在电缆2静止时，折叠弹簧203受弧形质量块201的影响呈自由垂荡状态。当电缆2因自然界外力影响产生振动，弧形质量块201受惯性力作用带动折叠弹簧203压缩和拉伸，在此过程中，折叠弹簧203上的聚四氟乙烯膜和铜膜产生接触-分离运动，实现纳米摩擦发电，磁铁204随弧形质量块201一起运动，同时折叠弹簧203拉着磁铁204使得磁铁204沿自身轴向运动，磁感线切割固定于壳体内部102的线圈202，实现电磁发电，从而实现纳米摩擦-电磁复合发电。电缆2在电力传输过程中还会产生交变磁场，磁铁204受磁场的影响同样产生运动，折叠弹簧203对磁铁204运动方向进行限制，保持磁铁204沿自身轴向运动，磁感线切割固定壳体内部102的线圈202，实现电磁发电。本发明实施例的能量收集器在无风的时候收集高压电缆2中的交变磁场能，有风时同时收集振动能与交变磁场能，实现了电缆2振动能与磁场能的多能源互补。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种电磁与摩擦复合式能量收集器，其特征在于，包括：
至少一个能量收集机构；
所述能量收集机构包括壳体、至少一个发电机构；
所述壳体包括壳体外部和壳体内部，所述壳体外部与壳体内部之间形成容纳腔，所述至少一个发电机构设于所述容纳腔内；
所述发电机构包括弧形质量块和至少一个发电组件，所述发电组件包括线圈、折叠弹簧和磁铁，所述线圈设于所述壳体内部的外侧壁，所述折叠弹簧的一端连接于所述壳体外部的内侧壁，所述折叠弹簧上设置有至少一个第一摩擦材料和至少一个第二摩擦材料，所述磁铁对着所述线圈，所述折叠弹簧的另一端和磁铁均能够跟随所述弧形质量块运动，所述第一摩擦材料和第二摩擦材料接触与分离实现摩擦发电，且所述磁铁的磁感线切割所述线圈实现电磁发电。
2.根据权利要求1所述的电磁与摩擦复合式能量收集器，其特征在于，所述发电机构还包括夹层壳，所述夹层壳的外侧壁贴附于所述壳体外部的内侧壁，所述折叠弹簧的一端连接于所述夹层壳的内侧壁。
3.根据权利要求2所述的电磁与摩擦复合式能量收集器，其特征在于，所述夹层壳呈圆弧形。
4.根据权利要求1所述的电磁与摩擦复合式能量收集器，其特征在于，所述折叠弹簧的另一端与所述磁铁相连接，所述磁铁连接于所述弧形质量块的外侧壁。
5.根据权利要求1所述的电磁与摩擦复合式能量收集器，其特征在于，所述壳体外部的至少一端与所述壳体内部的至少一端连接有侧板。
6.根据权利要求1所述的电磁与摩擦复合式能量收集器，其特征在于，所述壳体外部、壳体内部均呈圆弧形。
7.根据权利要求1所述的电磁与摩擦复合式能量收集器，其特征在于，所述壳体外部的边缘处设置有至少一个支板，所述支板上设置有安装孔。
8.根据权利要求1所述的电磁与摩擦复合式能量收集器，其特征在于，所述发电机构包括弧形质量块和两个发电组件，两个所述发电组件的轴线之间形成夹角。
9.根据权利要求1或8所述的电磁与摩擦复合式能量收集器，其特征在于，所述能量收集机构包括壳体、至少两个发电机构，所述至少两个发电机构沿所述壳体的轴向分布，所述至少两个发电机构的折叠弹簧的厚度和/或弧形质量块的大小不相同。
10.根据权利要求1所述的电磁与摩擦复合式能量收集器，其特征在于，所述折叠弹簧包括一体折叠而成的多个折叠板，所述第一摩擦材料、第二摩擦材料分别设置在相邻两个所述折叠板的相对板面上。
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| CN202210987042.3A CN115378220A (zh) | 2022-08-17 | 2022-08-17 | 电磁与摩擦复合式能量收集器 |
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|---|---|---|---|---|
| CN115956517A (zh) * | 2023-02-24 | 2023-04-14 | 北京工业大学 | 一种基于振动能量采集技术的混合式自供电动物追踪器 |
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2022
- 2022-08-17 CN CN202210987042.3A patent/CN115378220A/zh active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115956517A (zh) * | 2023-02-24 | 2023-04-14 | 北京工业大学 | 一种基于振动能量采集技术的混合式自供电动物追踪器 |
| CN115956517B (zh) * | 2023-02-24 | 2024-06-07 | 北京工业大学 | 一种基于振动能量采集技术的混合式自供电动物追踪器 |
| CN116231947A (zh) * | 2023-03-17 | 2023-06-06 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 适用于输电线路的能量收集装置及自供能振动监测装置 |
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