基于电磁感应原理的非线性谐振式磁场能量采集装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于电磁感应原理的非线性谐振式磁场能量采集装置，包括：固定框架；旋转单元，包括可旋转永磁体和至少一个轴；至少一组环绕线圈；至少一个固定永磁体，将可旋转永磁体约束在平衡位置，工作时，可旋转永磁体受载流导线产生的磁场作用围绕平衡位置作周期性摆动，其摆动时产生的运动磁场在至少一组环绕线圈中可感应出足以支撑传感节点正常工作的电能，通过调节直流偏置磁场的大小，使得可旋转永磁体在工频条件下达谐振状态，该谐振状态具有非线性特性。该采集装置具有高功率密度、宽频带、高可靠性、非侵入式和低成本等优点，更能适应导线周围磁场能量采集的应用需求，可实现传感装置的可靠供能。

A nonlinear resonant magnetic field energy acquisition device based on electromagnetic induction principle

The invention discloses a nonlinear resonant magnetic field energy collection device, based on the principle of electromagnetic induction and comprises a fixed frame; a rotating unit includes a rotatable permanent magnet and at least one shaft; at least one group around the coil; at least one fixed permanent magnet, the rotatable permanent magnet constraints in the equilibrium position, work, magnetic rotary permanent magnet by the current carrying wire effect around the equilibrium position to make periodic swing motion of the swing of the magnetic field can be induced to sensor nodes to support the normal work of power in at least one group around the coil, by adjusting the DC bias magnetic field, the rotating permanent magnet by resonant state in the condition of the power frequency, resonant state with nonlinear characteristics. The acquisition device with high power density, wide band, high reliability and non-invasive advantages and low cost, can adapt to the application demand of the wire around the magnetic energy acquisition, reliable for sensing device can realize.

【技术实现步骤摘要】
基于电磁感应原理的非线性谐振式磁场能量采集装置
本专利技术涉及能量采集
，特别涉及一种基于电磁感应原理的非线性谐振式磁场能量采集装置。
技术介绍
新型智能电网以坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化为其主要特征，对故障检测定位技术、电网动态评估技术、广域监测技术、高速实时通信技术和大数据获取分析等技术提出了新的要求。无线智能化传感节点作为支撑上述技术的基本单元对电网安全稳定运行、系统潮流优化调配、运行数据积累分析及其它新型智能电网应用起着至关重要的作用。目前，考虑到新型智能电网需求及传感节点安装和维护的难度，无线智能化传感节点需具备以下特点：自供能、长使用寿命、高性能及稳定性、高集成度、廉价、可远距离无线通讯、非侵入式配置。无线传感节点通常由传感模块、无线通讯模块及供能模块组成。随着新材料的运用、微加工技术的发展和前沿物理研究的实用化，传感技术和无线通讯技术迅猛发展，新型传感器的性能、可靠性、集成度、性价比、使用寿命等指标被极大地提高。但与之相匹配的长寿命、高可靠性和非侵入式的供能技术却发展迟缓。供能手段的缺乏也成为限制智能化无线传感节点发展的主要瓶颈。相关技术中，为解决无线传感节点的供能问题，人们将目光投向环境能量采集技术。通过对环境中的风、光、热、电、磁和振动等能量进行收集为新型传感器供电。其中，除工频电场磁场能量外，其它能量形式均不稳定，需配套电池等储能元件方能稳定工作。考虑到电池有限的使用寿命、传感节点数量及维护难度，需要配合电池使用的其它能量形式的能量采集技术难以契合智能电网监测的实际需要。传统传感器供能方式包括电容分压器母线取能和CT母线取能。两种供能方式虽然充分地利用了输电系统周围广泛弥散且非常稳定的工频电场、磁场能量，但它们也有着难以克服的固有缺点。其中，电容分压器母线取能方式具有低功率密度和侵入式能量采集的缺点；而CT母线取能方式具有安装不便(需环绕导线配置)和暂态大电流下易损坏等缺点。因此，无线传感节点的供能技术仍然是开放式热点议题。非侵入、小型化、高功率密度、可靠稳定、低成本的先进传感器供能技术亟待研究。
技术实现思路
本申请是基于专利技术人对以下问题的认识和发现作出的：相比于以CT母线取能为代表的非谐振式能量采集方式(输出与输入成正比)，谐振式能量采集方式对高频暂态电流有很强的抵抗力。谐振式能量采集方式包括线性谐振式和非线性谐振式能量采集。其中，非线性谐振式能量采集方式具有更高的功率密度和更宽的带宽(典型的非线性谐振式和谐振式能量采集方式的频响曲线示意图如图1所示)，能够更好的适应电网电流的幅值和频率波动。因此，非线性谐振式能量采集装置能够很好的适应智能电网无线传感节点的供能需求。本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种基于电磁感应原理的非线性谐振式磁场能量采集装置，该装置可以更能适应导线周围磁场能量采集的应用需求，可实现传感装置的可靠供能。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了一种基于电磁感应原理的非线性谐振式磁场能量采集装置，包括：固定框架；旋转单元，所述旋转单元嵌入所述固定框架中，所述旋转单元包括可旋转永磁体和至少一个轴；至少一组环绕线圈，所述至少一组环绕线圈缠绕在所述固定框架上；至少一个固定永磁体，所述可转动部件静态时，受所述至少一个固定永磁体产生的直流偏置磁场约束稳定在所述平衡位置，并且所述旋转单元工作时，受载流导线产生的磁场作用围绕所述平衡位置作周期性摆动，通过调节所述直流偏置磁场的大小，所述可旋转永磁体在工频条件下可达谐振状态，谐振状态下，摆动幅度达最大值，并且摆动时产生的运动磁场在所述至少一组环绕线圈中可感应出足以支撑传感节点正常工作的电能，且由于具有非线性频率响应，能量采集装置具有极宽频带。本专利技术实施例的基于电磁感应原理的非线性谐振式磁场能量采集装置，在工作时，可旋转永磁体受载流导线产生的交流外磁场驱动围绕平衡位置做大幅摆动，并在环绕线圈中感生出电能，由于采用可旋转永磁体结构且引入偏置磁场作为非线性磁弹簧，装置可充分利用载流导线产生的磁场与永磁体磁矩之间的力矩模式耦合作用进行能量采集并且具有非线性谐振式频率响应，因而装置具有高功率密度、宽频带、高可靠性、非侵入式和低成本等优点，更能适应导线周围磁场能量采集的应用需求，可实现传感装置的可靠供能。另外，根据本专利技术上述实施例的基于电磁感应原理的非线性谐振式磁场能量采集装置还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，由于所述至少一个固定永磁体中固定永磁体提供的所述直流偏置磁场作用在所述可旋转永磁体上的力矩随转动角度呈非线性变化，使得所述能量采集装置的典型频率响应呈非线性特性。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述载流导线配置的约束条件有：载流导线配置时，导线须配置在所述能量采集装置沿y轴的中心截面中。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述旋转单元还包括：多个轴承固定件和多个轴承，所述可旋转永磁体、所述至少一个轴和所述多个轴承的内环为可转动部件，所述多个轴承固定件和所述多个轴承的外环为固定部件，其中，所述至少一个轴为一个或两个，所述多个轴承固定件和所述多个轴承均为两个。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述至少一个固定永磁体为一个或两个。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述至少一个轴、所述多个轴承固定件均为非导磁材料，所述固定框架采用既不导磁也不导电材料制成，以抑制涡流效应。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，旋转单元的制备方法包括：采用烧结或粘接工艺制作所示可旋转永磁体，在所述可旋转永磁体电镀并充磁前，在所述可旋转永磁体的上下底面中心位置打尺寸相同的孔；若所述可旋转永磁体中心孔贯通，则制作一个轴，所述轴中间区段的外径与所述孔的内径保持一致，以压接方式和所述可旋转永磁体中心孔紧密配合；若所述可旋转永磁体中心孔未贯通，则制作两个轴，所述两个轴的一端的外径与所述孔的内径保持一致，以所述压接方式和所述可旋转永磁体的中心孔紧密配合，所述两个轴的另一端的外径与轴承内环尺寸保持一致，以所述压接方式和所述轴承的内环紧密配合；制作两个轴承固定件，所述两个轴承固定件的外尺寸宽度小于所述固定框架的内部方形通孔宽度，所述两个轴承固定件的内径与轴承外环的外径保持一致，所述两轴承固定件以压接方式分别和两端轴承进行紧密配合。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述固定框架的制备方法包括：在方形非导电非导磁材料的中心打贯通方孔，在所述固定框架的外侧沿方孔贯通方向的中间部分铣出台阶，并对所述固定框架外轮廓进行倒角；若采用单独制作方式制作所述轴承固定件，则将所述两轴承固定件与所述轴承压接配合后得到的所述旋转单元以压接方式装入所述固定框架方形通孔的中心；若所述轴承固定件直接制作在所述固定框架上，则在所述固定框架上沿垂直于方形通孔的方向在上下底面的中心打圆形通孔，所述圆形通孔的内径与所述轴承外环的外径保持一致，在两端压有轴承的所述可旋转永磁体放入所述固定框架方形通孔中心后，轴承两端采用压接方式分别压入上下底面的圆形通孔中。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述环绕线圈的缠绕方法包括：所述多组环绕线圈按层的分组方式或沿y方向分组方式分别缠绕在所述固定框架上，每组之间以串联或并联方式连接。进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电磁感应原理的非线性谐振式磁场能量采集装置，其特征在于，包括：固定框架；旋转单元，所述旋转单元嵌入所述固定框架中，所述旋转单元包括可旋转永磁体和至少一个轴；至少一组环绕线圈，所述至少一组环绕线圈缠绕在所述固定框架上；至少一个固定永磁体，所述可转动部件静态时，受所述至少一个固定永磁体产生的直流偏置磁场约束稳定在所述平衡位置，并且所述旋转单元工作时，受载流导线产生的磁场作用围绕所述平衡位置作周期性摆动，通过调节所述直流偏置磁场的大小，所述可旋转永磁体在工频条件下可达谐振状态，谐振状态下，摆动幅度达最大值，并且摆动时产生的运动磁场在所述至少一组环绕线圈中可感应出足以支撑传感节点正常工作的电能，且由于具有非线性频率响应，能量采集装置具有极宽频带。

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁感应原理的非线性谐振式磁场能量采集装置，其特征在于，包括：固定框架；旋转单元，所述旋转单元嵌入所述固定框架中，所述旋转单元包括可旋转永磁体和至少一个轴；至少一组环绕线圈，所述至少一组环绕线圈缠绕在所述固定框架上；至少一个固定永磁体，所述可转动部件静态时，受所述至少一个固定永磁体产生的直流偏置磁场约束稳定在所述平衡位置，并且所述旋转单元工作时，受载流导线产生的磁场作用围绕所述平衡位置作周期性摆动，通过调节所述直流偏置磁场的大小，所述可旋转永磁体在工频条件下可达谐振状态，谐振状态下，摆动幅度达最大值，并且摆动时产生的运动磁场在所述至少一组环绕线圈中可感应出足以支撑传感节点正常工作的电能，且由于具有非线性频率响应，能量采集装置具有极宽频带。2.根据权利要求1所述的基于电磁感应原理的非线性谐振式磁场能量采集装置，其特征在于，由于所述至少一个固定永磁体中固定永磁体提供的所述直流偏置磁场作用在所述可旋转永磁体上的力矩随转动角度呈非线性变化，使得所述能量采集装置的典型频率响应呈非线性特性。3.根据权利要求1所述的基于电磁感应原理的非线性谐振式磁场能量采集装置，其特征在于，所述载流导线配置的约束条件有：载流导线配置时，导线配置在所述能量采集装置沿y轴的中心截面中。4.根据权利要求1所述的基于电磁感应原理的非线性谐振式磁场能量采集装置，其特征在于，所述旋转单元还包括：多个轴承固定件和多个轴承，所述可旋转永磁体、所述至少一个轴和所述多个轴承的内环为可转动部件，所述多个轴承固定件和所述多个轴承的外环为固定部件，其中，所述至少一个轴为一个或两个，所述多个轴承固定件和所述多个轴承均为两个。5.根据权利要求1所述的基于电磁感应原理的非线性谐振式磁场能量采集装置，其特征在于，所述至少一个固定永磁体为一个或两个。6.根据权利要求4所述的基于电磁感应原理的非线性谐振式磁场能量采集装置，其特征在于，所述至少一个轴、所述多个轴承固定件均为非导磁材料，所述固定框架采用既不导磁也不导电材料制成，以抑制涡流效应。7.根据权利要求4所述的基于电磁感应原理...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡军，王中旭，何金良，王善祥，赵根，欧阳勇，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11