高效能量收集器及其方法
【专利摘要】在一个实施例中，提供一种电流传感器。该电流传感器包括磁芯，磁芯被构造成至少部分地围绕由导体产生的磁通。至少一个线圈联接至磁芯并且磁芯包括超透磁合金材料。
【专利说明】高效能量收集器及其方法
【技术领域】
[0001]本发明的领域总体涉及能量收集，并且更具体地，涉及从源提取能量的电流传感器。
【背景技术】
[0002]能量收集是用于回收系统中电力的过程，否则该电力就会耗散或损失。例如，已知的能量收集可以用于由光、热、风、振动、电流等获得能量。在许多已知的系统中，所收集的能量可以结合电池电力使用以向电子装置提供电力或为电池充电。
[0003]传感器组件通常用于工业设置中以监测相关机械设备及其操作的状况。已知的传感器组件通常是电池供电的。与定期为电池充电相关的人工成本限制了商业活力，特别是如果传感器位于远程或不可接近位置处时。此外，由于电池的寿命有限，因此丢弃电池对环境造成不利影响。
【发明内容】
[0004]在一个实施例中，提供一种电流传感器(current transducer)。该电流传感器包括磁芯，磁芯被构造成至少部分地围绕由导体产生的磁通。至少一个线圈联接至磁芯并且磁性包括超透磁合金(superm-alloy)材料。
[0005]优选地，所述磁芯包括裂芯，其形状是以下至少一种:大体上圆形、多边形、大体上环形。所述磁芯包括穿过其中的开口以用于接收所述导体。所述至少一个线圈包括围绕所述芯基本均匀地间隔开的至少一组绕组。
[0006]在另一个实施例中，提供一种能量收集系统。该能量收集系统包括电流传感器，电流传感器包括磁芯和联接至芯的至少一个线圈。电流传感器被构造成至少部分地围绕由导体产生的磁通并且能够操作以由导体产生电压。该能量收集系统还包括升压变压器，升压变压器电联接至电流传感器，以接收由电流传感器产生的电压。升压变压器使由电流传感器产生的电压放大，以为电装置提供电力。磁芯包括超透磁合金材料。
[0007]优选地，所述磁芯包括裂芯，其形状是以下至少一种:大体上圆形、多边形、大体上环形。所述磁芯包括穿过其中延伸的开口以用于接收所述导体。所述能量收集系统还包括延伸穿过所述开口的载流电缆。所述至少一个线圈包括围绕所述芯基本均匀地间隔开的至少一组绕组。所述电装置是无线传感器、无线发射器、和无线系统中的至少一个。
[0008]在又一个实施例中，公开一种组装能量收集系统的方法。该方法包括提供电流传感器，电流传感器包括磁芯和联接至芯的至少一个线圈。电流传感器被构造成至少部分地围绕由导体产生的磁通并且能够操作以由导体产生电压。该方法还包括提供升压变压器，升压变压器电联接至电流传感器以接收由电流传感器产生的电压。升压变压器放大由电流传感器产生的电压以为电装置提供电力并且磁芯包括超透磁合金材料。
[0009]优选地，所述方法包括将无线传感器、无线发射器、和无线系统中的至少一个电联接至所述升压变压器，以接收由所述电流传感器产生的电压。[0010]在再一个实施例中，公开一种收获能量的方法。该方法包括提供电联接至升压变压器的电流传感器。电流传感器包括磁芯和联接至芯的至少一个线圈并且磁芯包括超透磁合金。该方法还包括将电流传感器定位成至少部分地围绕由导体产生的磁通并且通过电流传感器产生电压。该方法还包括通过升压变压器放大所产生的电压。
[0011]优选地，所述方法还包括将放大的电压输送至负载和储能装置中的至少一个。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是示例性电力系统的示意图；以及
[0013]图2是与图1的系统一起使用的示例性电流传感器的示意图。
【具体实施方式】
[0014]图1是示例性电力系统10的示意图。总体而言,在示例性实施例中，电力系统10包括能量收集装置12，在使用期间，能量收集装置12通过升压变压器16向负载或储能器14提供电力。此外，在示例性实施例中，能量收集装置12可以是感应电流传感器30，感应电流传感器30通过感应将来自导体18的电流(例如交流电流)转换成较小的二次交流电流22，从而供给负载或储能器14所使用的电力。在示例性实施例中，负载14可以是电子装置，例如无线传感器、现场仪表、无线发射器、无线系统、或者其它的监测装置。在示例性实施例中，导体18是绝缘电缆20。备选地，导体18可以是非绝缘电缆或者能够传导电流的任何其它的材料。
[0015]电流源24通过电缆20向装置26提供电流。在示例性实施例中，装置26是电机
28。备选地，装置26可以是电气系统、工业机械设备，诸如此类。在示例性实施例中，升压变压器16电连接在电流传感器30与负载14之间，以有利于使从电流传感器30接收到的电压放大。因此，能量收集装置12从电缆20提取能量以为负载14提供电力。电流传感器30可以提供足够的电力来操作负载14，从而消除对电池或辅助电源的需要。
[0016]图2示出了可以与系统10 —起使用的感应电流传感器30的示例性实施例。总体而言，在示例性实施例中，电流传感器30包括磁芯32，磁芯32包括延伸穿过其中的中心开口 34。导体18至少部分地延伸穿过中心开口 34，使得磁芯32至少部分地围绕由导体18产生的磁通，并且至少一个线圈36包绕芯32。在示例性实施例中，线圈36包括多个绕组38。备选地，线圈36可以是单个绕组38。线圈36联接至端子40，以用于电联接升压变压器16和负载14。备选地，多于一个的电流传感器30可以围绕导体18定位并且电联接至升压变压器16或者电联接至单独的升压变压器16 (未示出)。
[0017]此外，在示例性实施例中，芯32和线圈36容纳在壳体42中。壳体42可以由任何合适的材料，如塑料，制成，以使得电流传感器30能够如本文中所描述地运作。备选地，升压变压器16以及/或者负载或储能器14也可以容纳在壳体42中。
[0018]在示例性实施例中，绕组38可以卷绕芯32的一部分或全部。备选地，电流传感器30可以具有操作性地联接到其上的多个线圈36。在示例性实施例中，锁定机构(未示出)用于将线圈36固定至芯32并且这种机构可以通过任何紧固机构(例如但不限于粘合剂和/或条带)永久联接至芯32。备选地，锁定机构可以通过例如支架和/或夹具可移除地联接至芯32。[0019]在示例性实施例中，磁芯32是基本圆形的。备选地，芯32可以是环形、三角形、方形、或多边形的。在示例性实施例中，磁芯32是包括第一部分44和第二部分46的裂芯。此夕卜，在示例性实施例中，第一部分44和第二部分46可移除地彼此联接，使得芯32可以在任何位置方便地围绕导体18定位，而不必使导体18与电流源24或装置26分离。这在导体18是电缆20 (从电缆20的第一端向第二端测量得到的长度较长)时是特别有利的。尽管第一部分44和第二部分46在示例性实施例中各自是半圆，但是第一部分44和第二部分46可以具有使得其能够如本文中所描述地起作用的任何其它的形状。备选地，芯32可以是单个单一芯。此外，多于一个的芯32可以围绕导体18定位并且电联接至升压变压器16。
[0020]在示例性实施例中，磁芯32由超透磁合金材料(Superm-alloy)制成。超透磁合金材料由大约80%的镍、5%的钥和铁制成，从而产生具有高磁导率和低矫顽力的材料。已知的裂芯电流传感器由于各自的芯的分离而遭受显著的磁能损失。与已知的裂芯电流传感器相比，由于本磁芯32由超透磁合金材料制成，因此芯32具有高磁导率，从而有利于电流传感器30以相对较高的效率操作，同时向负载14提供充足的电力。例如，磁芯32具有大于50，000 的磁导率。
[0021]芯32具有在第一部分44与第二部分46之间测量得到的直径D。在示例性实施例中，直径D处于大约Icm到IOOcm之间。尤其,在示例性实施例中,直径D处于大约25cm到75cm之间。备选地，芯32可以具有使得能量收集装置12能够如本文中所描述地起作用的任何直径D。
[0022]在示例性实施例中，由导体18产生的磁通引起线圈绕组38上的电流。在示例性实施例中，当二级电流22被变压器16接收时，电流经由端子40从线圈36通过。
[0023]在示例性实施例中，升压变压器16包括壳体50、输入侧52、和输出侧54。例如，在一个实施例中，二级电流22在输入侧52处被接收并且输入电压被放大成输出侧54处高得多的电压。例如，升压变压器16从输出侧54提供处于5V到12V之间的电信号。然而,升压变压器16可以提供使得电力系统10能够如本文中所描述地起作用的任何电压信号。
[0024]如上文所描述的，负载14可以是监测装置，以监测系统或部件，例如泵、电机、涡轮、发动机，或者工业过程的健康状况。在示例性实施例中，电流从输出侧54通向负载14。在示例性实施例中，负载14可以是机器状况监测系统，该机器状况监测系统测量关键机器的重要指标，例如振动、温度和压力，并且追踪信息一段时间以寻找异常。如上文所讨论的，负载14可以是电子装置，例如无线传感器、现场仪表、无线发射器、无线系统、或其它的监测装置。负载14使用来自升压变压器16的输出侧54的二级电流22来为负载14的任何监测或发射/接收功能提供电力，从而降低对来自交流电源(alternate source)的电力的需要。
[0025]在操作中，提供了电流传感器30。电流传感器30围绕导体18定位成使得导体18至少部分地通过中心开口 34。电流传感器30电联接至升压变压器16，升压变压器16电联接至负载14。通过导体18的电流产生磁通，磁通引起线圈36上的交流电流。所引起的电流经由端子40行进至升压变压器输入侧52，在升压变压器输入侧52处被放大成较高的电压。经过放大的电流从升压变压器输出侧54行进至负载或储能器14，在负载或储能器14处用于为负载14提供电力或者被储存以用于后续使用。
[0026]本文中所描述的示例性能量收集器通过感应电流传感器以成本有效并且可靠的方式由现有电缆产生电力。这允许能量收集器用于极其小并且/或者远程位置，例如深海或航天应用。有利地，由于不存在移动部件或者移动部件的数量显著减小，因此相比已知的能量收集器，该能量收集器更简单并且制造成本较低。通过从环境收集电力，传感器能够被制造成在其使用寿命期间自给自足，从而实际上不需要维护。因此，本文中所描述的示例性能量收集器能够与无线传感器一体地建造，以用于无需维护的机器状况监测。相比已知的传感器，在电流系统中用于使为无线传感器提供电力的电池的尺寸可以减小或者甚至可以消除用于为无线传感器提供电力的电池，从而减少维护和环境影响。
[0027]本书面描述使用例子对本发明进行了公开(其中包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实施本发明(其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法)。本发明的可专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的例子。如果这种其它的例子具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的例子包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这种其它的例子落入权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种电流传感器，所述电流传感器包括: 磁芯，所述磁芯配置用于至少部分地围绕由导体产生的磁场；以及 至少一个线圈，所述至少一个线圈联接至所述磁芯，其中所述磁芯包括超透磁合金材料。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述磁芯包括裂芯； 所述磁芯的形状包括以下至少一种:大体上圆形、多边形、大体上环形。
3.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述磁芯包括穿过其中的开口以用于接收所述导体。
4.一种能量收集系统，所述能量收集系统包括: 电流传感器，所述电流传感器包括磁芯和联接至所述芯的至少一个线圈，所述电流传感器配置用于至少部分地围绕由导体产生的磁通并且可操作的从所述导体产生电压； 升压变压器，所述升压变压器电联接至所述电流传感器，以接收由所述电流传感器产生的所述电压，其中所述升压变压器放大由所述电流传感器产生的所述电压以为电装置提供电力；并且 其中所述磁芯包括超透磁合金材料。
5.根据权利要求4所述的能量收集系统，其特征在于，所述磁芯包括裂芯； 所述磁芯的形状包括以下至少一种:大体上圆形、多边形、大体上环形。
6.根据权利要求4所述的能量收集系统，其特征在于，所述磁芯包括穿过其中延伸的开口以用于接收所述导体。
7.根据权利要求4所述的能量收集系统，其特征在于，所述电装置是无线传感器、无线发射器、和无线系统中的至少一个。
8.根据权利要求4所述的能量收集系统，其特征在于，所述电装置监测工业过程。
9.一种组装能量收集系统的方法，所述方法包括: 提供电流传感器，所述电流传感器包括磁芯和联接至所述芯的至少一个线圈，所述电流传感器配置用于至少部分地围绕由导体产生的磁通并且可操作的从所述导体产生电压； 提供升压变压器，所述升压变压器电联接至所述电流传感器以接收由所述电流传感器产生的电压，其中所述升压变压器放大由所述电流传感器产生的电压，以为电装置提供电力；并且 其中所述磁芯包括超透磁合金材料。
10.一种收集能量的方法，所述方法包括: 提供电联接至升压变压器的电流传感器，所述电流传感器包括磁芯和联接至所述芯的至少一个线圈，其中所述磁芯包括超透磁合金； 将所述电流传感器定位成至少部分地围绕由导体产生的磁通； 通过所述电流传感器产生电压； 通过所述升压变压器放大所产生的电压。
【文档编号】G01R19/00GK103575957SQ201310305814
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年7月19日 优先权日:2012年7月20日
【发明者】D.T.卢, I.M.吉尔斯特拉普 申请人:通用电气公司