一种线缆能量收集装置的制作方法

本实用新型涉及线缆能量收集技术领域，更具体地说，涉及一种线缆能量收集装置。

背景技术：

近年来，电网数字化的发展需求极大地促进了电力智能化监测设备的研发和推广应用。作为电网基础数据采集的传感器，在应用中其供电一直是一大难题。由于安全和绝缘问题，采用传统有线供电将大大限制传感器的应用范围。而采用电池供电限制了信息采集的频度和传感器寿命。因此，为了实现微型化粘贴式的广泛电网数据采集，电网中传感器应用场景下能量收集技术研究和应用日益成为研究热点。结合电网中传感器的应用场景，一般对光照、空气流动微弱能量进行收集，但上述能量收集受限程度大，对光照和空气流动的要求较高，相应地装置结构复杂且无法持续为传感器供电。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种线缆能量收集装置，以解决现有对光照、空气流动等能量收集时受环境影响多、无法持续进行能量收集等问题。

为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种线缆能量收集装置，包括用于与线缆固定的安装壳，所述安装壳内设有：

在受压时两端产生电压的压电件，所述压电件的固定端与所述安装壳固定，所述压电件的游离端设有永磁铁，所述永磁铁用于在线缆形成的交变磁场中振荡、以带动所述压电件的游离端以所述固定端为定点摆动产生电压；

沿所述安装壳的内壁的两端相对设置的一组微型线圈，相对设置的所述微型线圈间设有所述永磁铁，所述永磁铁在线缆形成的交变磁场中振荡时、在所述微型线圈间往复运动，以使所述微型线圈的磁通量变化输出交变电压；

用于对能量进行整流收集并进行输出的能量收集装置，所述能量收集装置分别与所述压电件和所述微型线圈连接以分别对二者的能量进行收集。

优选地，所述安装壳内还设有用于沿所述永磁铁的振荡方向的两端相对设置的缓冲层，所述缓冲层包括用于减震的柔性减震件。

优选地，所述安装壳内还设有用于固定所述压电件的固定梁，所述压电件与所述固定梁可拆卸的固定连接，所述固定梁上设有用于对所述压电件的表面进行包覆加固的弹性基体，所述压电件的游离端经所述弹性基体与所述永磁铁固定、以在所述弹性基体发生弹性形变时受力产生电压。

优选地，所述压电件的个数为至少两个，至少两个所述压电件在所述固定梁上均匀设置。

优选地，所述压电件与所述永磁铁的两极所在延长线垂直设置，所述永磁铁的两极所在延长线分别垂直于所述微型线圈。

优选地，所述安装壳的外部设有用于与线缆固定的抱箍/扎带，所述安装壳沿线缆的长度方向设置。

优选地，所述能量收集装置包括：

用于与所述压电件连接进行整流的第一整流桥；

用于与所述微型线圈连接进行整流的第二整流桥；

用于分别与所述第一整流桥和所述第二整流桥连接的能量收集模块，所述能量收集模块连接有与负载相连的电压输出模块；

与所述能量收集模块连接、用于电源存储的储能模块。

优选地，所述电压输出模块的个数为至少两个，以实现至少两路电压输出。

优选地，当线缆为单向线缆时、所述永磁铁的两极方向所在延长线与线缆产生的交变磁场的切线方向平行。

优选地，当线缆为包括火线和零线的双向线缆时、所述永磁铁的两极方向所在延长线与火线和零线的外圆切面共面。

本实用新型提供的线缆能量收集装置，包括用于与线缆固定的安装壳，安装壳内设有：在受压时两端产生电压的压电件，压电件的固定端与安装壳固定，压电件的游离端设有永磁铁，永磁铁用于在线缆形成的交变磁场中振荡、以带动压电件的游离端以固定端为定点摆动产生电压；沿安装壳的内壁的两端相对设置的一组微型线圈，相对设置的微型线圈间设有永磁铁，永磁铁在线缆形成的交变磁场中振荡时、在微型线圈间往复运动，以使微型线圈的磁通量变化输出电压；用于对能量进行整流收集并进行输出的能量收集装置，能量收集装置分别与压电件和微型线圈连接以分别对二者的能量进行收集。

应用本实用新型提供的线缆能量收集装置，永磁铁在线缆形成的交变磁场中振荡，压电件的固定端与安装壳固定，游离端与永磁铁固定，通过永磁铁的振荡带动压电件发生形变，进而在压电件的两端产生电压，并在安装壳的内壁两端相对设置一组微型线圈，永磁铁在线缆形成的交变磁场中振荡的同时，在微型线圈间往复运动，使得微型线圈的磁通量变化输出交变电压，能量收集装置分别与压电件和微型线圈连接，对二者进行整流收集并实现电压输出。相较于空气流动和光照强度，线缆形成的交变磁场稳定且不受环境影响，能够长时间持续进行能量收集，以对电网中的传感器供电。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例提供的一种线缆能量收集装置的主视结构示意图；

图2为图1的俯视结构示意图；

图3为图1的侧视结构示意图；

图4为本实用新型另一实施例提供的永磁铁的安装示意图；

图5为本实用新型实施例提供的能量收集装置的结构示意图。

附图中标记如下：

线缆1、抱箍2、安装壳3、能量收集装置4、固定梁5、压电件6、弹性基体7、永磁铁8、微型线圈9、缓冲层10；

第一整流桥41、第二整流桥42、储能模块43、能量收集模块44；

低功耗能量收集模块441、储能管理模块442、电压转换模块443。

具体实施方式

本实用新型实施例公开了一种线缆能量收集装置，以解决现有对光照、空气流动等能量收集时受环境影响多、无法持续进行能量收集等问题。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-图5，图1为本实用新型实施例提供的一种线缆能量收集装置的主视结构示意图；图2为图1的俯视结构示意图；图3为图1的侧视结构示意图；图4为本实用新型另一实施例提供的永磁铁的安装示意图；图5为本实用新型实施例提供的能量收集装置的结构示意图。

在一种具体的实施方式中，本实用新型提供的线缆能量收集装置4，包括用于与线缆1固定的安装壳3，安装壳3内设有：与能量收集装置4连接、在受压时两端产生电压的压电件6，压电件6的固定端与安装壳3固定，压电件6的游离端设有永磁铁8，永磁铁8用于在线缆1形成的交变磁场中振荡、以带动压电件6的游离端以固定端为定点摆动产生电压；用于对能量进行整流收集并进行输出的能量收集装置4。

其中，安装壳3优选为沿线缆1的长度方向设置，由此以优化空间结构。安装壳3与线缆1固定，一般为可拆卸的固定连接，如通过抱箍2进行固定，抱箍2的一端与安装壳3的底部固定连接，另一端环绕线缆1实现固定。抱箍2的个数可根据安装壳3的长度进行设定，优选为在安装壳3的两端分别设置抱箍2，由此以实现安装壳3在线缆1上的固定。在其他实施例中，也可以通过扎带实现固定，均在本实用新型的保护范围内。

压电件6为在受压时两端产生电压的压电元件，在一种实施例中，可具体为pzt压电陶瓷(锆钛酸铅)，其中p是铅元素pb的缩写，z是锆元素zr的缩写，t是钛元素ti的缩写，具有正压电效应和负压电效应。可根据实际需要选择合适的压电件6的压电材料，在此不再赘述。

压电件6的一端与安装壳3固定形成固定端，此处的固定可直接通过螺纹件或粘接等形式实现直接固定，也可以通过设置杆或桩等间接件实现间接固定。压电件6的游离端设置永磁铁8，同样地，游离端与永磁铁8之间可直接通过粘接等形式直接固定，或采用间接固定的形式。永磁铁8在线缆1形成的交变磁场中振荡，如当线缆1为单向线缆1且通有交变电流时，永磁铁8的两极所在延长线与线缆1产生的交变磁场的切线方向平行设置，当交变磁场方向改变时、永磁铁8的两极根据“同极相斥、异极相吸”的原理在交变磁场中往复运动，进而带动与永磁铁8连接压电件6以固定端为定点、往复摆动，使得压电件6发生形变产生交变电压。

能量收集装置4一般包括整流模块、储能模块43和能量收集和管理芯片。能量收集和管理芯片如s-882z、ltc1540、ltc1474c、ltc3588、e-821.00模块等，可根据实际需要进行选择，此处仅为一种优选的实施方案。

同时，安装壳3内还设有：

沿其内壁的两端相对设置的一组微型线圈9，相对设置的微型线圈9间设有永磁铁8，永磁铁8在线缆1形成的交变磁场中振荡时、在微型线圈9间往复运动，以使微型线圈9的磁通量变化输出电压；能量收集装置4与微型线圈9连接以对其能量进行收集。

微型线圈9分别与永磁铁8的两极相对设置，以在永磁铁8在交变磁场中振荡的同时、在两个相对设置的微型线圈9之间往复运动，使得微型线圈9的磁通量变化，根据电磁感应定律，微型线圈9输出交变电压，实现对线缆1的电磁能量的收集。微型线圈9为薄片状线圈，可采用半径小于0.1mm细铜丝绕制成，如采用多层罗列且内外环绕设置的方式，或者在一种实施例中，采用pcb印制方式设置，可根据实际的阻抗需要选择合适线圈的厚度及宽度。

微型线圈9优选设置在安装壳3的内壁上，可通过粘接或其他方式实现固定，永磁铁8与微型线圈9所在平面垂直设置。可以理解的是，能量收集装置4与微型线圈9连接，以对能量进行收集，可通过导电线与能量收集装置4连接。

上述装置，通过压电件6和永磁铁8、永磁铁8和微型线圈9两种发电方式独立运行，实现能量收集。

应用本实用新型提供的线缆能量收集装置，永磁铁8在线缆形成的交变磁场中振荡，压电件6的固定端与安装壳3固定，游离端与永磁铁8固定，通过永磁铁8的振荡带动压电件6发生形变，进而在压电件6的两端产生电压，并在安装壳3的内壁两端相对设置一组微型线圈9，永磁铁8在线缆形成的交变磁场中振荡的同时，在微型线圈9间往复运动，使得微型线圈9的磁通量变化输出交变电压，能量收集装置分别与压电件6和微型线圈9连接，对二者进行整流收集并实现电压输出。上述装置将线缆1形成的交变磁场的磁能转换为永磁铁8的动能、进而带动压电件6将动能转换为电能进行输出，通电线圈在变化磁场中磁通量变化输出交变电压，相较于空气流动和光照强度，线缆1形成的交变磁场稳定且不受环境影响，能够长时间持续进行能量收集，以对电网中的传感器供电。

具体的，安装壳3内还设有用于沿永磁铁8的振荡方向的两端相对设置的缓冲层10，缓冲层10包括用于减震的柔性减震件。

其中，设置柔性减震件避免运输或其他情况下永磁铁8撞到内壁造成损坏。柔性减震件可具体为软垫或其他柔性材料，每层缓冲层10可包括多个柔性减震件，可根据实际需要进行设置。

进一步地，安装壳3内还设有用于固定压电件6的固定梁5，压电件6与固定梁5可拆卸的固定连接，固定梁5上设有用于对压电件6的表面进行包覆加固的弹性基体7，压电件6的游离端经弹性基体7与永磁铁8固定、以在弹性基体7发生弹性形变时受力产生电压。固定梁5的两端可与安装壳3的内壁固定，优选为沿竖直方向设置，固定梁5可通过其他方式代替，如固定杆或固定板等，压电件6通过固定梁5实现在安装壳3内的位置固定，固定梁5的具体形式不作限定，固定梁5与压电件6可通过螺纹件实现固定。固定梁5上设置有弹性基体7，弹性基体7对压电件6的表面进行包覆，优选为沿压电件6的弯折面进行包覆，即永磁铁8通过弹性基体7与压电件6的游离端固定，通过弹性基体7以固定梁5为定点发生弹性形变，间接带动包覆在弹性基体7内的压电件6实现弯折，在加固压电件6的同时也便于压电件6与永磁铁8的固定。

压电件6的个数为至少两个，至少两个压电件6在固定梁5上均匀设置。此处的至少两个包括两个及两个以上，压电件6可在固定梁5的长度方向设置，每个压电件6的游离端均分别设有永磁铁8，或者在一种实施例中，多个压电件6的游离端仅连接一个永磁铁8，均在本实用新型的保护范围内。

在使用时，永磁铁8在线缆1所形成的交变磁场中振荡，同时带动弹性基体7以固定梁5的安装点为定点发生弹性形变，进而对设置在弹性基体7内的压电件6施力，使得压电件6的两端产生电荷。在其他实施例中，弹性基体7也可以设置在压电件6的游离端，通过焊接等方式实现固定，由此以便于永磁铁8的安装，但此种设置方式对压电件6的加固效果一般，在实际应用时可根据实际需要进行设置。

具体的，压电件6与永磁铁8的两极所在延长线垂直设置，永磁铁8的两极所在延长线分别垂直于微型线圈9。可以理解的是，以永磁铁8的两极沿水平方向设置为例，压电件6在安装壳3内竖直设置，永磁铁8在水平面内摆动，压电件6在永磁铁8的带动下在竖直面内摆动，相应的，微型线圈9与永磁铁8的两极所在延长线垂直设置，即沿竖直面内设置，此处仅为一种优选的实施方案，在其他实施例中，需根据线缆1的交变磁场和永磁铁8的设置位置进行相应的设置。

在一种实施例中，安装壳3的外部设有用于与线缆1固定的抱箍2/扎带，安装壳3沿线缆1的长度方向设置。由此设置，以优化线缆1的安装空间，安装壳3的外部设置有抱箍2或扎带，抱箍2或扎带与安装壳3固定连接，固定连接的方式可通过粘接或者可拆卸的固定连接。以抱箍2为例进行说明，安装壳3沿长度方向的两端设置有两个抱箍2，抱箍2分别与线缆1固定，抱箍2的个数可根据安装壳3的长度进行设置，均在本实用新型的保护范围内。在其他实施例中，也可以根据需要选择其他形式的固定件实现安装壳3与线缆1的固定。

如图5所示，图5为本实用新型实施例提供的能量收集装置的结构示意图。在一种实施例中，能量收集装置4包括：

用于与压电件6连接进行整流的第一整流桥41；

用于与微型线圈9连接进行整流的第二整流桥42；

用于分别与第一整流桥41和第二整流桥42连接的能量收集模块44，能量收集模块44连接有与负载相连的电压输出模块；

与能量收集模块44连接、用于电源存储的储能模块43。

能量收集模块44可具体为能量收集和管理芯片，如s-882z转换器、ltc1540线性比较器、ltc1474c线性比较器、ltc3588线性比较器等。储能模块43可具体为电池或超级电容。其中，能量收集模块44包括低功耗能量收集模块441、储能管理模块442、电压转换模块443。此种实施例中，通过第一整流桥41和第二整流桥42分别对压电件6和微型线圈9进行整流，在其他实施例中，当线缆能量收集装置4单独设置压电件6和微型线圈9进行能量收集时，相应地，能量收集装置4仅需设置相应的整流桥即可。在使用时，第一整流桥41对压电件6的能量进行整流，并通过能量收集模块44进行处理，处理后通过储能模块43进行存储或者通过电压输出模块进行电压的输出。当压电件6的个数为至少两个时，分别各个压电件6分别与第一整流桥41连接，实现整流。优选地，电压输出模块的个数为至少两个，以实现至少两路电压输出。电压输出模块可支持多路电压输出独立设置，也可以用于1路输出，可根据需要进行电压输出模块的设置。

如图1-3所示，在上述各实施例的基础上，当线缆1为单向线缆1时、永磁铁8的两极方向所在延长线与线缆1产生的交变磁场的切线方向平行。单向线缆1中交变电流产生交变电磁场，根据需要设置永磁铁8的质量和磁力，可使得永磁体在交变磁场的作用下以最大功率点的频率振荡，由于永磁铁8的振荡，带动压电件6反复挤压运动，使得压电件6产生交变电压信号，从而实现能量收集。同时，由于永磁铁8的周期靠近和远离，使得微型线圈9的磁通量不断变化，根据电磁感应定律，微型线圈9也输出交变电压信号，实现线缆1周围电磁能量的收集。

如图4所示，在上述各实施例的基础上，当线缆1为包括火线和零线的双向线缆1时、永磁铁8的两极方向所在延长线与火线和零线的外圆切面共面。永磁铁8设置在火线和零线的中间，由于火线和零线的磁场混合，当永磁铁8的两极方向所在延长线与火线和零线的外圆切面共面时，可使得永磁铁8在交变磁场作用下按照最大功率点的频率震荡。在其他实施例中，可根据实际需要设置永磁铁8的两极方向，只要能够达到相同的技术效果即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。