一种杆塔谐振取能装置的制作方法

本发明涉及输电杆塔在线监测领域以及振动取能领域，具体为一种应用于输电杆塔上的小功耗设备的谐振取能装置。

背景技术：

随着电网系统中网络监测和人工智能的发展需要，杆塔上的状态监测设备越来越多，包括传感器、通讯机在内的众多电子产品均需要充足而稳定的电源供应。因此需要利用其周围的各种环境能源，引进新型的供电方式(振动能)。

自然界各种谐振现象中储存的能量和输出要比其他类型的振动更为高效可观，这在输电杆塔上尤为明显。由于自然频率以及风励振动，输电杆塔上每时每刻都有不停歇的微小振动存在。有关共振(谐振)的研究，多集中于对其危害的预防，而利用谐振对能量的放大和储存利用方面，则鲜有相关研究。目前，光伏板和风机在运行当中存在严重的蓄电短板和天气依赖性，此外两者的寿命和可靠性也比较差。与之比较，振动取能装置则能够全天候稳定运行，同时能量储存在振动系统中，无需传统储能电池，因此比光伏板，风机等传统塔载供能设备更可靠高效。另外，这套装置亦可应用于移动通讯信号塔或其他需要独立供电的振动环境中，使之应用范围大大增加。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术存在的缺点与不足，提出一种杆塔振动(谐振)取能的相关装置。该方法包括振动模型(含多质量块2耦合结构)，磁路设计的相关理论。此外，也包含了谐振取能电路的设计。本发明为一种杆塔谐振取能装置，利用电磁感应原理，把具有一定频率的杆塔振动产生的能量高效利用。

本发明通过下述技术方案实现：

一种杆塔谐振取能装置，包括安装在输电杆塔上的全封闭外壳、设置在所述外壳内的简谐振动机构、将简谐振动机构的动能转换为电能输出的取能机构，所述简谐振动机构随输电杆塔同步振动。

进一步地，所述的简谐振动机构包括至少一个质量块、用于约束所述质量块在一定范围内按特定方向简谐振动的柔性约束机构。

进一步地，所述的柔性约束机构包括连接于所述质量块与外壳之间的弹性件，所述弹性件在平衡状态下使质量块静置于所述外壳中部，在同步振动状态下使质量块在外壳内按一定频率往复振动。

进一步地，所述的弹性件采用拉簧结构，所述拉簧结构对称的竖直连接于质量块与外壳的内壁之间。

进一步地，所述的弹性件采用弹片结构，所述弹片结构对称的竖直连接于质量块与外壳的内壁之间。

进一步地，所述的取能机构包括用于将简谐振动机构的动能转换为电能的能量转换装置、以及将所述电能调波整流后向外输出的调节电路。

进一步地，所述的能量转换装置包括左右连接合并起来形成闭环的软铁磁路、对称固定在所述软铁磁路内侧的感应线圈、对称设置在所述质量块水平两端且在质量块振动时与在感应线圈内圈相对运动的永磁结构，所述的永磁结构的磁极设置有软铁芯。

进一步地，所述的永磁结构采用铷铁硼强磁。

进一步地，所述的调节电路包括与所述能量转换装置电路连接的RLC谐振电路和整流电路，所述RLC谐振电路用于将感应电能生成特定震荡波形，所述整流电路用于将特定震荡波形的电能调整为直流电能输出。

进一步地，所述的全封闭外壳采用对外隔磁、对内导磁材料。能够有效隔离内外自然环境及磁场，另外能够起到磁路的作用。

相比现有技术，本发明的有益效果包括：

1、能够通过调节振动系统的参数，包括劲度系数和质量等进行频率适应，能够应用于不同振动频率的环境中；

2、外壳全封闭，不仅可以隔离内外磁场，使内部磁路设计更加高效，同时隔离外部自然环境，内部可真空设计，具有极佳的可靠性；

3、装置可放大缩小以适用于不同环境，原材料均为工艺成熟的工业产品，因此具有很好的经济性。

4、基于该装置的原理，此单质量块谐振系统或多质量块耦合系统具有很广阔的应用场景，能够实现全向多频高效取储能。

5、该装置能够在测试的输电杆塔上实现10mW以上的稳定功率输出，且磁路的改进空间较大，能够大大提高其输出功率。

附图说明

图1拉簧-永磁振动模型的最简单形式示意图。

图2是基于拉簧-永磁振动模型的谐振取能方法示意图。

图3是RLC谐振电路示意图。

图4是全封闭外壳示意图。

图5是安装实例。

图中所示为：1为拉簧结构，2为质量块，3为永磁结构，4为感应线圈，5为软铁磁路，6-取能装置，7-输电杆塔，8-外壳。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种杆塔谐振取能装置，包括安装在输电杆塔7上的全封闭外壳8、设置在所述外壳8内的简谐振动机构、将简谐振动机构的动能转换为电能输出的取能机构，所述简谐振动机构随输电杆塔7同步振动。

具体而言，在发明另一实施例中，所述的简谐振动机构包括至少一个质量块2、用于约束所述质量块2在一定范围内按特定方向简谐振动的柔性约束机构。

具体而言，在发明另一实施例中，所述的柔性约束机构包括连接于所述质量块2与外壳8之间的弹性件，所述弹性件在平衡状态下使质量块2静置于所述外壳8中部，在同步振动状态下使质量块2在外壳8内按一定振幅及频率水平往复振动。

具体而言，如图1所示，在发明另一实施例中，所述的弹性件采用304不锈钢的拉簧结构1，所述拉簧结构1对称的竖直连接于质量块2与外壳8的内壁之间。

具体而言，在发明另一实施例中，所述的弹性件采用弹片结构，所述弹片结构对称的竖直连接于质量块2与外壳8的内壁之间。

另外，所述的柔性约束机构亦可用同性永磁铁代替拉簧结构1对质量块2进行约束。

具体而言，在发明另一实施例中，所述的取能机构包括用于将简谐振动机构的动能转换为电能的能量转换装置、以及将所述电能调波整流后向外输出的调节电路。

具体而言，如图2所示，在发明另一实施例中，所述的能量转换装置包括左右连接合并起来形成闭环的软铁磁路5、对称固定在所述软铁磁路5内侧的感应线圈4、对称设置在所述质量块2水平两端且在质量块2振动时与在感应线圈4内圈相对运动的永磁结构3，所述的永磁结构3的磁极设置有软铁芯。可以看出，所述永磁结构3安装在质量块2水平左右两侧而感应线圈4安装在软铁磁路5和永磁结构3之间。感应线圈4和软铁磁路5因应永磁结构3运动方向和位置而确定方向；软铁磁路5用于改善气隙，可采用轧硅钢管(条)，包括各种能够提高磁场能量利用率的磁路设计。

具体而言，在发明另一实施例中，所述的永磁结构3采用柱状铷铁硼强磁，同时，所述永磁结构3种类为强永磁但不限定为铷铁硼强磁。

具体而言，如图3所示，在发明另一实施例中，所述的调节电路包括与所述能量转换装置电路连接的RLC谐振电路和整流电路，所述RLC谐振电路用于将感应电能生成特定震荡波形，所述整流电路用于将特定震荡波形的电能调整为直流电能输出。

具体而言，如图4所示，在发明另一实施例中，所述的全封闭外壳8采用对外隔磁，对内导磁材料。能够有效隔离内外自然环境及磁场，另外能够起到磁路的作用。

下面以拉簧结构1为例介绍其取能装置的工作原理

如图1和图2所示，取能装置包括质量块2、磁路、感应线圈4以及电路，外壳8(导磁材料)安装在输电杆塔7上的横担或者其他振动较明显的位置，在安装位置,固定后(如图5所示)，便能够迅速以安装位置的频率进行谐振，当质量块2的固有频率与环境振动频率一致或接近时，质量块2的振动幅值便会达到有阻尼下的最大值，因此便能够把最大的能量储存为机械能，同时对用电设备进行供电。由于振动能量在任何时刻都将存在，故只要配合好频率和用电功率等参数，便可以为用电器长久稳定地供电。

永磁结构3因此以一定频率，最大幅值相对感应线圈4运动；根据电磁感应原理：

e(t)＝-d(φ)/dt

输出相应频率的交流电；进一步地，利用谐振电路对输出进行处理,如下式所示：

$p_{0}f=\frac{U^2}{R}$

最终使感生的电能储存在谐振的电路(如图3)和谐振的机械质量块2当中，当有负载的时候，便可以为负载进行供电。

通过设计质量块2的质量和拉簧结构1的劲度系数使其固有频率与实测到得的杆塔普遍振动频率相符，有如下公式：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}}$

在本实施例中(图4及图5)，得到输电杆塔7振动频率以及振动系统和电路的设计频率均为f＝2.7Hz；选取拉簧结构1劲度系数分别196N/m，135N/m，质量块2的质量1.1kg。输出功率为15mW。

在具有一定振动频率范围的环境(输电杆塔7)中，简谐振动机构能够迅速与环境的振动状态进行耦合从而达到共振(谐振)状态。因此，该方法原理简单，实用性强。

相似地，在输电杆塔7上，当单质量块2或者多质量块2耦合系统的固有频率与输电杆塔7的各向振动频率一致或接近时，简谐振动机构中能够储存的机械能便会达到最大，只要配合好各质量块2的振动模式(包括方向和频率)与输电杆塔7上设备的功率等参数，便可以为输电杆塔7上的小功率在线监测设备进行稳定长久的供电。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。