【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于能量采集
，特别涉及一种基于剪切型永磁压电复合结构的导线取能装置及制备方法。
技术介绍
在智能电网成为研究热点的大背景下，多方面配套的关键技术得到深入发展，其中，一套基于广泛分布的各类传感器的先进量测系统是电网实现智能化的基础。然而，电力系统广域监测和测量系统目前无法实现，现阶段电力系统的计量系统也主要集中在变电站，对于输电及配电线路还无法实现实时测量及数据采集，限制传感器节点在这些场合下应用的最主要问题之一就是传感器的供电问题。电力系统运行规模及复杂程度不断增大，输电线路长度常常达数百万公里，各类在线电力设备种类多样、数量庞大，配电网络分布复杂，这使得广域分布的传感器节点的安装和维护极度困难，也对传感器的供电系统提供了更加严苛的要求。目前，电力系统传感器的能量供给方式主要有电流互感器(CT)线圈母线取能、电容分压式母线取能、太阳能供电、蓄电池供电、激光供电等方式。虽然线圈母线取能及电容分压式母线取能方式具有高功率输出、成本低等特点，但由于侵入式安装方式为安装和维护带来不便，且体积庞大，功率密度低，因而不适用于为输配电网络传感节点供能；激光供能由于其高成本且易受温度影响同样不适用；太阳能供电功率由于输出极大依赖外界的环境因素(如光强、温度等)，需要与备用电池配合确保供电稳定性，且太阳能供电装置体积较大，恶劣环境中容易受损、维护成本高，因而不适用于大范围应用；蓄电池供电由于需要定期更换电池而不适合输电线挂网运行。综上所述，现存的电力系统中高压侧传感器供电技术都存在一定局限，且考虑到智能电网对于传感器小型化、高性能、低成本的需求，开发一种...
【技术保护点】
一种基于剪切型永磁压电复合结构的导线取能装置，该装置包括：梁紧固件、压电悬臂梁、永磁体、整流稳压器和导线；其特征在于，所述压电悬臂梁共有两个，彼此平行间隔排列，每个压电悬臂梁均采用相同结构，由压电层和弹性层两层相互粘结而成，或弹性层、压电层和弹性层三层依次相互粘结而成；两个压电悬臂梁的同极性电极并联，每个压电悬臂梁的一端通过所述梁紧固件固定在任意一个位置稳固的物体上作为夹持固定端，两个压电悬臂梁的另一端同时粘接在所述永磁体上作为自由振动端，两个压电悬臂梁分别通过导线与整流稳压器相连，整流稳压器通过导线与能量使用装置相连。
【技术特征摘要】
1.一种基于剪切型永磁压电复合结构的导线取能装置，该装置包括：梁紧固件、压电悬臂梁、永磁体、整流稳压器和导线；其特征在于，所述压电悬臂梁共有两个，彼此平行间隔排列，每个压电悬臂梁均采用相同结构，由压电层和弹性层两层相互粘结而成，或弹性层、压电层和弹性层三层依次相互粘结而成；两个压电悬臂梁的同极性电极并联，每个压电悬臂梁的一端通过所述梁紧固件固定在任意一个位置稳固的物体上作为夹持固定端，两个压电悬臂梁的另一端同时粘接在所述永磁体上作为自由振动端，两个压电悬臂梁分别通过导线与整流稳压器相连，整流稳压器通过导线与能量使用装置相连。2.如权利要求1所述的导线取能装置，其特征在于，选择压电悬臂梁的间隔距离、尺寸和材料，以及永磁体的材料和尺寸，使取能装置的谐振频率与提供能量的导线中电流产生的磁场的频率一致，并能达到输出电压需求；具体取值由如下两个公式决定：B(2πfrL/c)＝0 U ( t ) = Q ( t ) / C = - 6 d 15 M 0 ( b + 2 d ) h p t a n ( ω c L ) ϵ ‾ 11 s 55 E ρ m l h w ( h 2 + w 2 ) ω c × e i ω t B ( ω c L ) = A ( ω c L ) B ( ω c L ) e i ω t ]]>上述两公式分别是频率约束条件和输出电压约束条件；式中，M0为外磁场与永磁体磁矩作用产生的力矩的幅值，fr为谐振频率，U(t)为输出电压，t为时间，b为悬臂梁的厚度，2d为两悬臂梁间的间隔距离，hp为压电层的厚度，ω为振动角频率，ρm，l，w，h分别为永磁体的密度、长度、宽度和厚度，i为虚数单位，c为扭转振动扭转波的波速，d15为剪切模态压电系数，为X方向恒应力下的介电常数，为恒电场下的弹性顺度系数，Q(t)为单悬臂梁产生总电荷，C为电容；B(ωL/c)的表达式为：3.一种制备如权利要求1所述的导线取能装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据实际空间及电压需要，对压电层尺寸及材料、悬臂梁尺寸及材料和永磁体尺寸及材料分别进行计算选取；得到各尺寸材料参数与谐振频率和输出电压的关系，所选取的材料和尺寸使所述的导线磁场取能装置的谐振频率与提供能量的导线中电流产生的磁场的频率一致，并能达到输出电压需求，具体计算过程如下：1-1)得到振动幅度的表达式；描述双压电悬臂梁扭转的振动方程为： ∂ 2 β ( z , t ) ∂ t 2 = - ρ I D ∂ 2 β ( z , t ) ∂ t 2 = - 1 c 2 ∂ 2 β ( z , t ) ∂ t 2 - - - ( 1 ) ]]>式(1)中，ρ为悬臂梁的等效密度，c为扭转振动扭转波的波速，I为压电悬臂梁相对对称轴的惯性矩，D为压电悬臂梁的抗扭刚度，z为悬臂梁上所选取的垂直于压电层的截面与悬臂梁夹持固定端的距离，t为时间；β(z,t)为角位移，表示单悬臂梁中，与夹持固定端距离为z的质点在时刻t的转动角度；I和c分别由式(2)、式(3)表示； I ≈ 2 b ( b 2 + 3 b d + 3 d 2 ) ( h p + 2 h n ) 3 - - - ( 2 ) ]]> c = 4 G p h p / ( ρ p h p + ρ n h n ) - - - ( 3 ) ]]>式(2)中，b为悬臂梁的厚度，2d为两悬臂梁间的距离，hp为压电层的厚度，hn为弹性层的厚度；式(3)中，ρn为弹性层的密度，ρp为压电层的密度)，Gp为压电层的剪切模量；对式(1)～式(3)求解，得到单悬臂梁输出电压表达式，求解过程如下：式(1)的双压电悬臂梁扭转的振动方程通解为： β ( z , t ) = [ A f c o s ( ω c z ) + B f s i n ( ω c z ) ] e i ω t - - - ( 4 ) ]]>式中，ω为振动角频率，考虑z＝0处夹持固定端边界条件，则系数Af＝0；自由振动端边界条件如式(5)所示： M e ( t ) - M ( z , t ) | z = L = I m 0 ∂ 2 β ( z , t ) ∂ t 2 | z = L - - - ( 5 ) ]]>进一步写为： M 0 e i ω t - D ∂ β ( z , t ) ∂ z | z = L = I m 0 ∂ 2 β ( z , t ) ∂ t 2 | z = L - - - ( 6 ) ]]>式中，L为悬臂梁的长度，Me(t)为永磁体磁矩与外交流磁场耦合产生的交变力矩，M0为外磁场与永磁体磁矩作用产生的力矩的幅值；为永磁体的转动惯量，表达式如式(7)所示： I m 0 = ∫ ∫ ∫ V r 2 d m = ρ m l 12 h w ( h 2 + w 2 ) - - - ( 7 ) ]]>式中，r为所分析的永磁体质点距离永磁体等效转轴的距离，ρm，l，w，h分别为永磁体的密度、长度、宽度和厚度；将式(4)的振动方程通解带入式(5)的自由振动端边界条件，振动方程的解表示为： β ( z , t ) = 12 M 0 ρ I L s i n ( ω c ) e i ω t ρ m l h w ( h 2 + w 2 ) ω c D cos ( ω c L ) B ( ω c L ) - - - ( 8 ) ]]>式(8)中，B(ωL/c)的表达式为： B ( ω c L ) = - ω c L t a n ( ω c L ) + 12 ρ I L ρ m l h w ( h 2 + w 2 ) - - - ( 9 ) ]]>1-2)得到谐振频率的表达式；谐振频率通过求解式(10)获得：B(2πfrL/c)＝0 (10)式中，fr为谐振频率；1-3)得到输出电压的表达式；分别考虑与两悬臂梁夹持固定端距离z，对称且间隔为2dn的两个尺寸为dz×(hp+2hn)×d(dn)的弹性层-压电层-弹性层粘接结构构成的悬臂梁单元；dz为Z方向的微元，hp+2hn为悬臂梁单元厚度，d(dn)为Y方向的微元；对称双悬臂梁单元感应产生的场强如式(11)所示： E ( d n , z , t ) = - d 15 [ β ( z + d z , t ) - β ( z , t ) ] ( d n ...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡军，王中旭，欧阳勇，韩金池，何金良，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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