电力设备振动能量收集器的制作方法

1.本发明属于电力设备振动能量收集技术领域，特别是一种电力设备振动能量收集器。


背景技术：

2.能源互联网的各方面的应用不断深入，对电力系统中设备状态检测传感器的需求与日俱增。如果继续采用现有的走线供电，日益庞大的传感器数量必然使得供电线路错综复杂，甚至会影响电力设备的电气特征和布局布线。同时，目前主流的传感器节点自供能技术诸如太阳能取能存在一系列限制其工作效率的问题，包括但不限于受天气影响的日照辐射强度、电池板表面清洁问题、部分狭窄环境下难以部署大面积太阳能电池板等。对于采用蓄电池的供电方式：蓄电池的寿命有限，在废弃后存在着严重的环境污染问题，同时在电量耗尽后进行更换也会消耗大量的人力。
3.目前大多数的振动能量收集装置基于单一的原理，如压电能量收集装置或电磁式能量收集装置。这些装置往往存在输出功率较低或加速度响应范围较小的问题。同时，现有的装置在较小的加速度下能量转化效率往往比较低。
4.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种电力设备振动能量收集器，解决现有单一的振动能量收集装置加速度响应范围小、输出功率较低的问题。
6.本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种电力设备振动能量收集器包括，
7.底座，其支承于振动的电力设备上，
8.多个并列的弹簧，所述弹簧固定于底座上，
9.框架，其固定于所述弹簧上端，且所述弹簧的轴线位于框架的周缘且相对于所述框架的重心点对称分布，
10.磁铁阵列，其固定于所述框架一侧，
11.线圈支架，其设于所述框架，
12.线圈阵列，其固定于所述线圈支架且基于振动相对于所述磁铁阵列移动以切割磁感线产生电能，
13.悬臂梁，其一端固定于所述线圈支架，另一端悬臂延伸以形成悬臂梁结构，其中，线圈阵列作为悬臂梁结构的配重，
14.压电片，其固定于所述悬臂梁表面，所述悬臂梁基于振动发生形变，进而使得所述压电片产生电能。
15.所述的电力设备振动能量收集器中，多个并列的弹簧使得电力设备振动能量收集
器的共振频率与所述电力设备工作时的振动频率相同。
16.所述的电力设备振动能量收集器中，所述共振频率为100.32hz。
17.所述的电力设备振动能量收集器中，抽头连接所述线圈阵列和压电片以将所述电能导出。
18.所述的电力设备振动能量收集器中，所述磁铁阵列为16块立方体钕磁铁组成的4
×4×
1的磁铁阵列，每块钕磁铁的n、s极所在表面法线方向均与磁铁阵列大小为4
×
4的面的法线方向平行，每块钕磁铁n、s极的朝向都与相邻的钕磁铁n、s极朝向相反。
19.所述的电力设备振动能量收集器中，所述框架包括长方体的主体和所述主体的上表面居中挖出的长方体凹槽。
20.所述的电力设备振动能量收集器中，所述磁铁阵列的一个大小为4
×
1的表面紧贴所述长方体凹槽底部，且磁铁阵列四个法线水平的面依次与长方体凹槽的四个法线水平的面平行，所述悬臂梁为位于框架上表面的扁平长方体，所述悬臂梁下表面与所述主体的上表面贴合固定，四个法线水平的面依次与主体的四个法线水平的面平行，悬臂梁的宽度不超过长方体凹槽的宽度。
21.所述的电力设备振动能量收集器中，四个并列的弹簧分别固定于所述主体的四个角的底部。
22.所述的电力设备振动能量收集器中，所述线圈阵列为12个线圈组成的4
×3×
1的线圈阵列，每个线圈为圆环体，相邻的两个线圈绕向相反，每一行的四个线圈串联，第一行的第四个线圈与第二行的第四个线圈相连，第二行的第一个线圈与第三行的第一个线圈相连，使得12个线圈之间为串联关系，12个线圈的轴线平行且互不重合。
23.所述的电力设备振动能量收集器中，所述线圈阵列与磁铁阵列平行布置。
24.和现有技术相比，本发明具有以下优点：电力设备振动能量收集器基于弹性放大的桥式力传导结构，使得微小的振动力被数倍于自身地放大，解决了微小简谐运动振动力及振动能量难以收集的问题，并通过优选的桥式力传导结构构成材料以及不同桥式力传导结构不同倾斜角度的选择，能使装置的工作于一个极宽的范围内不同的频率，从而更好地匹配不同的工作环境，具有极强的泛用性。
附图说明
25.通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
26.在附图中：
27.图1为电力设备振动能量收集器的结构示意图；
28.图2为电力设备振动能量收集器的能量转化效率在两种不同材质下随工作频率变化的曲线示意图；
29.图3为电力设备振动能量收集器的一个实施例的输入、输出对于振动信号频率的响应特性示意图。
30.以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
31.下面将参照附图1至图3更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
32.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
33.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
34.为了更好地理解，在一个实施例中，如图1所示，一种电力设备振动能量收集器包括，
35.底座1，其支承于振动的电力设备上，
36.多个并列的弹簧2，所述弹簧2竖直固定于底座1上，
37.框架3，其固定于所述弹簧2上端，且所述弹簧2的轴线位于框架3的周缘且相对于所述框架3的重心点对称分布，
38.磁铁阵列7，其固定于所述框架3一侧，
39.线圈支架8，其设于所述框架3，
40.线圈阵列6，其固定于所述线圈支架8且基于振动相对于所述磁铁阵列7移动以切割磁感线产生电能，
41.悬臂梁4，其一端固定于所述线圈支架8，另一端悬臂延伸以形成悬臂梁结构，其中，线圈阵列6作为悬臂梁4结构的配重，
42.压电片5，其固定于所述悬臂梁4表面，所述悬臂梁4基于振动发生形变，进而使得所述压电片5产生电能。
43.所述的电力设备振动能量收集器的优选实施例中，多个并列的弹簧2使得电力设备振动能量收集器的共振频率与所述电力设备工作时的振动频率相同。
44.所述的电力设备振动能量收集器的优选实施例中，所述共振频率为100.32hz。
45.所述的电力设备振动能量收集器的优选实施例中，抽头连接所述线圈阵列6和压电片5以将所述电能导出。
46.所述的电力设备振动能量收集器的优选实施例中，所述磁铁阵列7为16块立方体钕磁铁组成的4
×4×
1的磁铁阵列7，每块钕磁铁的n、s极所在表面法线方向均与磁铁阵列7大小为4
×
4的面的法线方向平行，每块钕磁铁n、s极的朝向都与相邻的钕磁铁n、s极朝向相反。
47.所述的电力设备振动能量收集器的优选实施例中，所述框架3包括长方体的主体和所述主体的上表面居中挖出的长方体凹槽。
48.所述的电力设备振动能量收集器的优选实施例中，所述磁铁阵列7的一个大小为4
×
1的表面紧贴所述长方体凹槽底部，且磁铁阵列7四个法线水平的面依次与长方体凹槽的四个法线水平的面平行，所述悬臂梁4为位于框架3上表面的扁平长方体，所述悬臂梁4下表面与所述主体的上表面贴合固定，四个法线水平的面依次与主体的四个法线水平的面平行，悬臂梁4的宽度不超过长方体凹槽的宽度。
49.所述的电力设备振动能量收集器的优选实施例中，四个并列的弹簧2分别固定于所述主体的四个角的底部。
50.所述的电力设备振动能量收集器的优选实施例中，所述线圈阵列6为12个线圈组成的4
×3×
1的线圈阵列6，每个线圈为圆环体，相邻的两个线圈绕向相反，每一行的四个线圈串联，第一行的第四个线圈与第二行的第四个线圈相连，第二行的第一个线圈与第三行的第一个线圈相连，使得12个线圈之间为串联关系，12个线圈的轴线平行且互不重合。
51.所述的电力设备振动能量收集器的优选实施例中，所述线圈阵列6与磁铁阵列7平行布置。
52.在一个实施例中，电力设备振动能量收集器包括，
53.底座1；
54.以一定间距粘附固定在所述底座1上表面的四个相同的并联弹簧2；
55.下表面粘附固定在所述四个并联弹簧2上端的框架3，所述框架3与弹簧2的连接点关于框架3的重心位置中心对称；
56.夹持在框架3一侧的悬臂梁4结构；
57.紧密粘连在所述悬臂梁4结构正面或背面的压电单晶，包括引出电能所需的抽头；
58.固定在悬臂梁4位于框架3内部一端的线圈支架8和紧密粘连在线圈支架8上的线圈阵列6；
59.固定在悬臂梁4夹持对侧框架3内的磁铁阵列7。
60.电力设备振动能量收集器工作时，振动源带动所述电力设备振动能量收集器发生振动，进而促使悬臂梁4结构发生周期性形变，粘连在悬臂梁4结构一面的压电单晶随之发生形变，并产生电能；所述线圈支架8与粘连在支架上的线圈阵列6相对于磁铁阵列7产生位移，线圈切割磁感线并产生电能。产生的电能由抽头引出进入外部负载。仿真和实验结果表明，电力设备振动能量收集器电磁和压电复合。可以通过调整，使允许的工作频率具有极宽的范围，具有极强的泛用性。
61.优选的，本实施例中采用的弹簧2外径为5mm，线径为1.1mm，匝数为5匝。在本实施例所述尺寸下，所述弹簧2使得装置的第一共振频率为100.32hz。该共振频率与绝大多数的电力设备工作时的振动频率相同，可以获得最佳的能量收集效率。
62.优选的，所述悬臂梁4尺寸规格为100
×
20
×
1.1mm3，材料选择为高纯度钛片。该尺寸和材料的选择可以同时提供理想的静态支撑和能量转化时所要求的动态形变量。压电片5的压电材料选择为pzt一5h压电陶瓷，悬臂梁4尺寸规格为60
×
20
×
0.2mm3，对齐悬臂梁4的自由端粘贴固定于悬臂梁4。
63.线圈阵列6和线圈支架8同时作为悬臂梁4配重。所述线圈阵列6由12个相同的线圈
同极性串联，按4
×
3矩阵的形式排列。优选的，所述线圈的基本参数为外径9.90mm、内径4.05mm、高度1.50mm，所用漆包线线径为0.12mm，匝数为200匝。按此规格绕制的线圈电阻值一般为6.87ω，质量为0.855g。磁铁阵列7由16个尺寸为10
×
10
×
10mm3的磁铁立方体按4
×
3矩阵的形式排列。磁铁极性交替变化，这样的布置可以使磁铁在线圈阵列6平面产生的磁感应强度最大。
64.进一步的，所述底座1为10mm厚度片材。在所述底座1上固定承载了四个相同的弹簧2、框架3以及框架3内部的装置核心部件。所述底座1大小与框架3整体尺寸匹配。底座1上将可以外加螺孔等结构，使得所述装置得以固定在电力设备表面，同时保护所述受力部件不受磨损。
65.一个实施例中，电力设备振动能量收集装置包括底座1，在底座1上固定着四个相同的弹簧2，框架3的四个角固定在弹簧2上方，弹簧2与框架3底面直接相连。在框架内部夹持固定着悬臂梁4，在悬臂梁4的上方表面位置粘连固定着压电片5。在悬臂梁4的另一端固定着线圈阵列6及线圈支架。磁铁阵列7固定在框架3内部。线圈阵列6及线圈支架同时起到了悬臂梁配重作用。在本实施例中，通过底部的四枚弹簧与装置框架的四点连接避免了在安装位置不是平面或连接面不平整时出现的装置和电力设备连接不紧密的情况。四枚弹簧可以使能量收集器谐振时外壳振动消耗的机械能降低，进而增加了基于弹性放大的电力设备振动能量收集器的能量收集转化效率。弹簧材料为锰钢，尺寸参数为1
×5×
10mm3、匝数为5匝。此时本发明的第一共振频率为100.32hz，符合电力设备振动能量收集的频率要求。
66.为了使电力设备振动能量收集器的具有更高的功率密度，框架的尺寸应与内部结构尺寸相匹配并将其恰好包裹。本实施例框架的规格选择为80
×
44
×
44mm3。
67.悬臂梁的尺寸应与装置的整体尺寸相匹配，本实例中所采用的一种可能的尺寸为100
×
20
×
1.1mm3。悬臂梁的材料应选择具有良好的强度与韧性，可以良好地传导振动能量，在起到对压电单晶的保护作用的同时保证该悬臂梁不会吸收过多的振动能量，在本实施例中悬臂梁的材料选择为高纯度钛片。
68.压电单晶的尺寸与材料的选择主要考虑其结构形态以及压电性能，本实施例中采用压电单晶种类的是pzt-5h。
69.本实施例中磁铁阵列由16块完全相同的10
×
10
×
10mm3磁铁以矩阵形式排列而成。磁铁间使用502胶水粘连固定，以免工作时的振动导致磁铁阵列发生变形或解体。优选的，磁铁的极性交替排列，经comsol多物理场仿真发现此种排列方式可以在线圈工作面内产生最大的磁感应强度，进而可以获得最佳的电磁输出功率及能量转化效率。本实施例中的线圈阵列串联固定于线圈支架上。此处的串联指的是在线圈阵列相对于磁铁阵列发生相对位移时，所有线圈产生的感应电势应该是相互叠加的。
70.图2与图3为电力设备振动能量收集器实施例的两个具体测试实例。其中，图2为本发明关于开路电压的频率响应曲线。图3为本实施例在第一共振频率下，在受到不同的加速度激励为储能电容充电时，储能电容两端电压随时间的变化曲线。图2为电力设备振动能量收集器实施例的一个具体测试实例。其中，图2为在前述优选的装置规格下，能量收集器的压电部分和电磁部分的开路电压频率响应曲线。结果表明装置的压电部分和电磁部分在工作频率的一致性方面表现良好，说明二者的最佳工作点均在100.32hz，较好地吻合了大部分电力设备的振动频率，满足实际的工作环境要求。
71.图3为本实施例在第一共振频率下，在受到不同的加速度激励为储能电容充电时，储能电容两端电压随时间的变化曲线，其中第一共振频率为前述100.32hz。测试结果显示随着本实施例所受振动加速度激励的增加，装置的输出功率也随之增加，电容两端电压的上升速度相应地将会更快，达到饱和的时间也会相应缩短。
72.电力设备振动能量收集器应用于电力设备中无源供电时，所带后端应用一般为支持蓝牙等无线传输功能的位移、温度、电磁等传感器，传感器及无线通讯模块可以由一块低功耗单片机控制，通过合适的低功耗算法可以使得后端应用模块的功耗降至很低的水平；通过改变所述悬臂梁长度、材料以及夹持位置等方法设置其共振频率，以保证振动频率接近装置共振频率时，能得到更加理想的输出功率。
73.尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。