專利名稱：采集電器供電線磁場(chǎng)能量的裝置及供電線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁場(chǎng)能量采集裝置，尤其涉及一種采集電器供電線磁場(chǎng)能量的裝置及供電線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電流產(chǎn)生磁場(chǎng)是一種基本的物理現(xiàn)象，輸/供電線中流過交流電流時(shí)，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生環(huán)繞電線的交變磁場(chǎng)。通過電磁感應(yīng)，可以將交變的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成電流。也就是說不需直接接入電線，就可以取得電能。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)和導(dǎo)線閉合回路中的磁通量的變化率成正比。對(duì)于給定頻率的交變磁場(chǎng)，也可以表述為和閉合回路中的磁通量成正比。文獻(xiàn)1和2提出在單根供電線上安裝電流變換器，可以采集電磁場(chǎng)能量，為輸/供電本身的檢測(cè)電子系統(tǒng)提供電源。(1J. Ahola, Τ. Ahonen, V. Sarkimaki, Α. Kosonen, et al. , Design considerations for current transformer based energy harvesting for electronics attached to electric motor, Proc. Of International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, Page (s) :901 - 905, 2008.2H. Zangl, T. Bretterklieber, G. Brasseur, Energy harvesting for online condition monitoring of high voltage overhead power lines, IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference Victoria, Vancouver Island, Canada, 2008.)在這個(gè)變換過程中，供電線就是變換器的輸入(初級(jí))，變換器的次級(jí)就是電能的輸出。為電器(如家用電器，辦公電器等等)供電的電線電纜隨處可見，普遍情況是一個(gè)電器的供電電流不大，一般在100 A以下。單相供電是常規(guī)電器普遍采用的供電方式。在單相供電時(shí)，采用的供電電線電纜通常是通過絕緣層包裹著相線和中性線兩條導(dǎo)線，或者是還包括有地線的三條導(dǎo)線。前者稱為拉鏈?zhǔn)诫娋€，后者稱為三線電纜。在單相供電時(shí)，一條拉鏈?zhǔn)诫娋€或者一條三線電纜中有兩條方向完全相反的電流線，這兩條電流線在空間位置的距離由導(dǎo)電線的直徑和包層厚度確定。因?yàn)樵谝粋€(gè)閉合區(qū)域中有兩條相反方向的電流， 產(chǎn)生的磁場(chǎng)不再具有相同的旋轉(zhuǎn)方向，在一個(gè)包含電纜橫截面的區(qū)域內(nèi)的磁通量相互抵消或者基本抵消。如圖1示。這樣如果不改變電線的結(jié)構(gòu)，將雙線或者三線電纜直接作為電流變換器的初級(jí)采集電線的磁場(chǎng)能量，基本上得不到輸出。日本先進(jìn)工業(yè)科學(xué)與技術(shù)國家研究所的研究者提出在交流供電線的插頭處，用電磁感應(yīng)的方法采集電線的輻射能量為監(jiān)測(cè)電線工作狀態(tài)(溫度、電流)的無線傳感器供電 (見文獻(xiàn)3]Y. Zhang, J. Lu, H. Hiroshima, et al. , Simulation and design of micro inductor for electromagnetic energy scavenging at low AC frequency in wireless sensor network, PowerMEMS 2009, Washington DC, USA, Page(s):253-256， 2009·)。由于插頭導(dǎo)體是分開的，電流線的空間距離較在包層中增加若干倍，在插頭一個(gè)金屬叉的小的鄰域范圍內(nèi)，可以看成是一條獨(dú)立電流線形成的磁場(chǎng)，環(huán)繞插頭叉的磁通量就沒有被抵消。但是這種能量 采集方式應(yīng)用受限(只能用在插頭處)，而且由于插頭叉之間的實(shí)際距離有限，還是存在電磁感應(yīng)回路磁通量被抵消的情況，實(shí)際采集到的能量遠(yuǎn)低于理論值。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了一種可采集供電線電流激發(fā)的磁場(chǎng)能量的裝置，其結(jié)構(gòu)為在電線電纜外部的磁場(chǎng)區(qū)域設(shè)置多個(gè)具備磁電轉(zhuǎn)換功能的換能器，換能器的磁場(chǎng)作用方向與換能器所在位置處的電線電纜激發(fā)磁場(chǎng)的方向平行；換能器沿電線電纜周長方向的尺寸小于電線電纜橫截面周長的1/4。換能器的一種具體結(jié)構(gòu)為換能器由壓磁材料層和壓電材料層交替層疊組成，壓磁材料層和壓電材料層形狀相同；材料層的交界面與換能器所在位置處的電線電纜激發(fā)磁場(chǎng)的方向平行，壓磁材料層的磁場(chǎng)作用方向，就是換能器的磁場(chǎng)作用方向，與換能器所在位置處的電線電纜激發(fā)磁場(chǎng)的方向平行，且材料層沿電線電纜周長方向的尺寸小于電線電纜橫截面周長的1/4。換能器的另一種結(jié)構(gòu)為換能器由呈筒狀繞制的線圈組成，筒的中心軸與換能器所在位置處的電線電纜激發(fā)磁場(chǎng)的方向平行，且筒沿電線電纜周長方向的尺寸小于電線電纜橫截面周長的1/4。線圈所圍成的筒的中孔中設(shè)置有高磁導(dǎo)率的磁芯。高磁導(dǎo)率磁芯的端面和永磁體的磁極面相連，為磁芯提供磁偏置，以提高、調(diào)節(jié)磁芯的有效磁導(dǎo)率。本發(fā)明還提出了一種可利用電線電纜周圍磁場(chǎng)能量實(shí)現(xiàn)裝置自供能的自供電無線傳感器，其結(jié)構(gòu)為它由通信模塊、采集供電線磁場(chǎng)能量的裝置、微處理器和傳感器組成； 微處理器分別與通信模塊、傳感器通信連接；通信模塊和傳感器通信連接；采集供電線磁場(chǎng)能量的裝置為微處理器、通信模塊和傳感器提供電能。本發(fā)明還提出了一種基于前述自供電無線傳感器的供電線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)為它由多個(gè)自供電無線傳感器、無線通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)中心組成；各個(gè)自供電無線傳感器通過無線通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)中心通信連接。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是可對(duì)電器供電線(包括單線，雙線，三線電纜)中電流激發(fā)的磁場(chǎng)能量進(jìn)行采集獲得電能；利用采集到的能量驅(qū)動(dòng)自供電無線傳感器運(yùn)作，并形成供電線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。


圖1、雙線電纜周圍磁場(chǎng)分布示意圖； 圖2、層狀結(jié)構(gòu)的換能器結(jié)構(gòu)示意圖3、換能器安裝位置示意圖； 圖4、換能器陣列結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5、自供電無線傳感器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6、供電線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)有技術(shù)中的用于采集電線磁場(chǎng)能量的采集器，要么需要將采集器設(shè)置在插頭叉處才能進(jìn)行采集，由于插頭叉處的結(jié)構(gòu)尺寸限制，采集效果很不好，要么需要對(duì)常用多線電纜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，導(dǎo)致成本增加。為了克服采集裝置受結(jié)構(gòu)尺寸限制的問題，本發(fā)明提出了一種采集供電線磁場(chǎng)能量的裝置，在電線電纜1外部因電流激發(fā)的磁場(chǎng)區(qū)域設(shè)置多個(gè)具備磁電轉(zhuǎn)換功能的換能器2，換能器2的磁場(chǎng)作用方向與換能器2所在位置處的電線電纜1 激發(fā)磁場(chǎng)的方向平行；換能器2沿電線電纜周長方向的尺寸小于電線電纜1橫截面周長的 1/4。本發(fā)明采用小尺寸的具備磁電轉(zhuǎn)換功能的換能器2，打破了現(xiàn)有的采集裝置需要受供電電纜結(jié)構(gòu)限制的瓶頸，讓換能器2可以在電線電纜1的外圍磁場(chǎng)中的任一位置都發(fā)揮作用；其工作過程為由于換能器2的磁作用方向與該換能器2位置處的電線電纜1激發(fā)磁場(chǎng)的方向平行，換能器2在交變磁場(chǎng)作用下將磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)能量的采集。磁場(chǎng)大小與距電線電纜1的距離成反比，換能器2與電線電纜1的距離越近，換能器2的有效輸入越大，能量采集的效果也越好，最好是將換能器2緊貼電線電纜1外表面設(shè)置。前面的方案中，對(duì)換能器2沿電線電纜1橫截面上的尺寸進(jìn)行了限制，這主要是由于換能器2的有效輸入來自于作用到換能器2上的電線電纜1中電流激發(fā)的磁場(chǎng)的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度，電線電纜1電流激發(fā)磁場(chǎng)的方向與換能器2的磁場(chǎng)作用方向越接近平行，有效輸入越大，由于電線電纜1電流激發(fā)的磁場(chǎng)在電纜外各處不是同方向的，換能器2在電線電纜1 橫截面上的尺寸過大反而會(huì)造成作用到換能器2的平均磁場(chǎng)減小，而換能器2沿電線電纜 1的軸向尺寸則可以不受限制，反而是越大越好；一種可以采用的方法是沿電線電纜1軸向，設(shè)置多組換能器2，每組換能器2有多個(gè)，多個(gè)換能器2沿電線電纜1周向設(shè)置，這就變相的使換能器2沿電線電纜1軸向的長度得到了增加，提高了總的參與能量轉(zhuǎn)換的平均磁場(chǎng)的有效輸入。本發(fā)明的換能器2可采用兩種結(jié)構(gòu)形式
其中一種結(jié)構(gòu)為換能器2由壓磁材料層2-1和壓電材料層2-2交替層疊組成，壓磁材料層2-1和壓電材料層2-2形狀相同；壓磁材料層2-1的磁化方向就是換能器2的磁作用方向，且材料層沿電線電纜1周長方向的尺寸小于電線電纜1橫截面周長的1/4。具體來說，這種層狀結(jié)構(gòu)的換能器2可以有如下三種結(jié)構(gòu)形式1)雙層式結(jié)構(gòu)一片壓磁材料層2-2和一片壓電材料層2-1連在一起形成整體結(jié)構(gòu)；2)三明治結(jié)構(gòu)一片壓電材料層2-1夾在兩片壓磁材料層2-2之間，三者形成整體結(jié)構(gòu)；3)多層式結(jié)構(gòu)多片壓磁材料層2-2和多片壓電材料層2-1交替層疊粘在一起形成整體。換能器2的另一種結(jié)構(gòu)為換能器2由呈筒狀繞制的線圈2-3組成，筒的軸向就是換能器2的磁作用方向，筒的中心軸與換能器2所在位置處的電線電纜1激發(fā)磁場(chǎng)的方向平行，且筒沿電線電纜周長方向的尺寸小于電線電纜1橫截面周長的1/4。還可在線圈2-3所圍成的筒的中孔中設(shè)置高磁導(dǎo)率的磁芯，使換能器2的輸入、輸
出進(jìn)一步提高。為了增加磁芯的有效磁導(dǎo)率，可以在磁芯的端面(一端或者兩端)連接永磁體的磁極，使磁芯處于一定的偏置磁場(chǎng)中。在前述的方案基礎(chǔ)上，可利用采集電器供電線磁場(chǎng)能量的裝置實(shí)現(xiàn)傳感器、通信裝置的自供能，這種自供電的自供電無線傳感器結(jié)構(gòu)為它由通信模塊、采集供電線磁場(chǎng)能量的裝置、微處理器和傳感器組成；微處理器分別與通信模塊、傳感器通信連接；通信模塊和傳感器通信連接；采集供電線磁場(chǎng)能量的裝置為微處理器、通信模塊和傳感器提供電能。 能量采集器將供電線周圍的電磁能轉(zhuǎn)化為電能后輸出到微處理器、通信模塊和傳感器；微處理器控制傳感器采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ拍K，傳感器在采集供電線磁場(chǎng)能量的裝置供電下工作，獲取供電線路上的電流、溫度或現(xiàn)場(chǎng)氣象等狀態(tài)信息；微處理器控制通信模塊，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)測(cè)中心發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)信息。
在前述的自供電無線傳感器基礎(chǔ)上，還可以構(gòu)建出無需外部供能的供電線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它由多個(gè)自供電無線傳感器、無線通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)中心組成；各個(gè)自供電無線傳感器通過無線通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)中心通信連接。
權(quán)利要求
1.一種采集供電線電流激發(fā)磁場(chǎng)能量的裝置，其特征在于在電線電纜(1)中電流激發(fā)的磁場(chǎng)區(qū)域設(shè)置多個(gè)具備磁電轉(zhuǎn)換功能的換能器(2)，換能器(2)的磁場(chǎng)作用方向與換能器(2)所在位置處的電線電纜(1)中電流激發(fā)的磁場(chǎng)方向平行；換能器(2)沿電線電纜 (1)周長方向的尺寸小于電線電纜(1)橫截面周長的1/4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采集電器供電線磁場(chǎng)能量的裝置，其特征在于換能器(2) 由壓磁材料層(2-1)和壓電材料層(2-2 )交替層疊組成，壓磁材料層(2-1)和壓電材料層 (2-2)形狀相同；材料層的交界面與換能器(2)所在位置處的電線電纜(1)中電流激發(fā)的磁場(chǎng)方向平行，且材料層沿電線電纜(1)周長方向的尺寸小于電線電纜(1)橫截面周長的 1/4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采集電器供電線磁場(chǎng)能量的裝置，其特征在于換能器(2)由呈筒狀繞制的線圈(2-3)組成，筒的中心軸與換能器(2)所在位置處的電線電纜(1)電流激發(fā)磁場(chǎng)的方向平行，且筒沿電線電纜(1)周長方向的尺寸小于電線電纜(1)橫截面周長的 1/4。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采集電器供電線磁場(chǎng)能量的裝置，其特征在于線圈(2-3)所圍成的筒的中孔中設(shè)置有高磁導(dǎo)率的磁芯。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采集電器供電線磁場(chǎng)能量的裝置，其特征在于高磁導(dǎo)率的磁芯的端面與永磁體的磁極相連。
6.一種采用如權(quán)利要求1所述裝置的自供電無線傳感器，其特征在于它由通信模塊、 采集供電線磁場(chǎng)能量的裝置、微處理器和傳感器組成；微處理器分別與通信模塊、傳感器通信連接；通信模塊和傳感器通信連接；采集供電線磁場(chǎng)能量的裝置為微處理器、通信模塊和傳感器提供電能。
7.一種采用如權(quán)利要求5所述的自供電無線傳感器的供電線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于它由多個(gè)自供電無線傳感器、無線通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)中心組成；各個(gè)自供電無線傳感器通過無線通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)中心通信連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采集供電線電流激發(fā)磁場(chǎng)能量的裝置，其結(jié)構(gòu)為在電線電纜中電流激發(fā)的磁場(chǎng)區(qū)域設(shè)置多個(gè)具備磁電轉(zhuǎn)換功能的換能器，換能器的磁場(chǎng)作用方向與換能器所在位置處的電線電纜中電流激發(fā)的磁場(chǎng)方向平行；換能器沿電線電纜周長方向的尺寸小于電線電纜橫截面周長的1/4。本發(fā)明還公開了基于前述結(jié)構(gòu)的自供電無線傳感器，以及基于自供電無線傳感器的供電線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是可對(duì)電器供電線(包括單線，雙線，三線電纜)中電流激發(fā)的磁場(chǎng)能量進(jìn)行采集獲得電能；利用采集到的能量驅(qū)動(dòng)自供電無線傳感器運(yùn)作，并形成供電線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H02J17/00GK102299571SQ201110135349
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者文玉梅, 李平, 楊進(jìn) 申請(qǐng)人:盧愛君, 重慶大學(xué)