专利名称：采集电器供电线磁场能量的装置及供电线状态监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁场能量采集装置，尤其涉及一种采集电器供电线磁场能量的装置及供电线状态监测系统。
背景技术：
电流产生磁场是一种基本的物理现象，输/供电线中流过交流电流时，会同时产生环绕电线的交变磁场。通过电磁感应，可以将交变的磁场转换成电流。也就是说不需直接接入电线，就可以取得电能。根据电磁感应原理，交变磁场产生的感生电动势和导线闭合回路中的磁通量的变化率成正比。对于给定频率的交变磁场，也可以表述为和闭合回路中的磁通量成正比。文献1和2提出在单根供电线上安装电流变换器，可以采集电磁场能量，为输/供电本身的检测电子系统提供电源。(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.)在这个变换过程中，供电线就是变换器的输入(初级)，变换器的次级就是电能的输出。为电器(如家用电器，办公电器等等)供电的电线电缆随处可见，普遍情况是一个电器的供电电流不大，一般在100 A以下。单相供电是常规电器普遍采用的供电方式。在单相供电时，采用的供电电线电缆通常是通过绝缘层包裹着相线和中性线两条导线，或者是还包括有地线的三条导线。前者称为拉链式电线，后者称为三线电缆。在单相供电时，一条拉链式电线或者一条三线电缆中有两条方向完全相反的电流线，这两条电流线在空间位置的距离由导电线的直径和包层厚度确定。因为在一个闭合区域中有两条相反方向的电流， 产生的磁场不再具有相同的旋转方向，在一个包含电缆横截面的区域内的磁通量相互抵消或者基本抵消。如图1示。这样如果不改变电线的结构，将双线或者三线电缆直接作为电流变换器的初级采集电线的磁场能量，基本上得不到输出。日本先进工业科学与技术国家研究所的研究者提出在交流供电线的插头处，用电磁感应的方法采集电线的辐射能量为监测电线工作状态(温度、电流)的无线传感器供电 (见文献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·)。由于插头导体是分开的，电流线的空间距离较在包层中增加若干倍，在插头一个金属叉的小的邻域范围内，可以看成是一条独立电流线形成的磁场，环绕插头叉的磁通量就没有被抵消。但是这种能量 采集方式应用受限(只能用在插头处)，而且由于插头叉之间的实际距离有限，还是存在电磁感应回路磁通量被抵消的情况，实际采集到的能量远低于理论值。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种可采集供电线电流激发的磁场能量的装置，其结构为在电线电缆外部的磁场区域设置多个具备磁电转换功能的换能器，换能器的磁场作用方向与换能器所在位置处的电线电缆激发磁场的方向平行；换能器沿电线电缆周长方向的尺寸小于电线电缆横截面周长的1/4。换能器的一种具体结构为换能器由压磁材料层和压电材料层交替层叠组成，压磁材料层和压电材料层形状相同；材料层的交界面与换能器所在位置处的电线电缆激发磁场的方向平行，压磁材料层的磁场作用方向，就是换能器的磁场作用方向，与换能器所在位置处的电线电缆激发磁场的方向平行，且材料层沿电线电缆周长方向的尺寸小于电线电缆横截面周长的1/4。换能器的另一种结构为换能器由呈筒状绕制的线圈组成，筒的中心轴与换能器所在位置处的电线电缆激发磁场的方向平行，且筒沿电线电缆周长方向的尺寸小于电线电缆横截面周长的1/4。线圈所围成的筒的中孔中设置有高磁导率的磁芯。高磁导率磁芯的端面和永磁体的磁极面相连，为磁芯提供磁偏置，以提高、调节磁芯的有效磁导率。本发明还提出了一种可利用电线电缆周围磁场能量实现装置自供能的自供电无线传感器，其结构为它由通信模块、采集供电线磁场能量的装置、微处理器和传感器组成； 微处理器分别与通信模块、传感器通信连接；通信模块和传感器通信连接；采集供电线磁场能量的装置为微处理器、通信模块和传感器提供电能。本发明还提出了一种基于前述自供电无线传感器的供电线状态监测系统，其结构为它由多个自供电无线传感器、无线通信网络和监测中心组成；各个自供电无线传感器通过无线通信网络与监测中心通信连接。本发明的有益技术效果是可对电器供电线(包括单线，双线，三线电缆)中电流激发的磁场能量进行采集获得电能；利用采集到的能量驱动自供电无线传感器运作，并形成供电线状态监测系统。
图1、双线电缆周围磁场分布示意图； 图2、层状结构的换能器结构示意图3、换能器安装位置示意图； 图4、换能器阵列结构示意图； 图5、自供电无线传感器结构示意图； 图6、供电线状态监测系统结构示意图。
具体实施方式
现有技术中的用于采集电线磁场能量的采集器，要么需要将采集器设置在插头叉处才能进行采集，由于插头叉处的结构尺寸限制，采集效果很不好，要么需要对常用多线电缆的结构进行改造，导致成本增加。为了克服采集装置受结构尺寸限制的问题，本发明提出了一种采集供电线磁场能量的装置，在电线电缆1外部因电流激发的磁场区域设置多个具备磁电转换功能的换能器2，换能器2的磁场作用方向与换能器2所在位置处的电线电缆1 激发磁场的方向平行；换能器2沿电线电缆周长方向的尺寸小于电线电缆1横截面周长的 1/4。本发明采用小尺寸的具备磁电转换功能的换能器2，打破了现有的采集装置需要受供电电缆结构限制的瓶颈，让换能器2可以在电线电缆1的外围磁场中的任一位置都发挥作用；其工作过程为由于换能器2的磁作用方向与该换能器2位置处的电线电缆1激发磁场的方向平行，换能器2在交变磁场作用下将磁场能转化为电能，实现能量的采集。磁场大小与距电线电缆1的距离成反比，换能器2与电线电缆1的距离越近，换能器2的有效输入越大，能量采集的效果也越好，最好是将换能器2紧贴电线电缆1外表面设置。前面的方案中，对换能器2沿电线电缆1横截面上的尺寸进行了限制，这主要是由于换能器2的有效输入来自于作用到换能器2上的电线电缆1中电流激发的磁场的平均磁场强度，电线电缆1电流激发磁场的方向与换能器2的磁场作用方向越接近平行，有效输入越大，由于电线电缆1电流激发的磁场在电缆外各处不是同方向的，换能器2在电线电缆1 横截面上的尺寸过大反而会造成作用到换能器2的平均磁场减小，而换能器2沿电线电缆 1的轴向尺寸则可以不受限制，反而是越大越好；一种可以采用的方法是沿电线电缆1轴向，设置多组换能器2，每组换能器2有多个，多个换能器2沿电线电缆1周向设置，这就变相的使换能器2沿电线电缆1轴向的长度得到了增加，提高了总的参与能量转换的平均磁场的有效输入。本发明的换能器2可采用两种结构形式
其中一种结构为换能器2由压磁材料层2-1和压电材料层2-2交替层叠组成，压磁材料层2-1和压电材料层2-2形状相同；压磁材料层2-1的磁化方向就是换能器2的磁作用方向，且材料层沿电线电缆1周长方向的尺寸小于电线电缆1横截面周长的1/4。具体来说，这种层状结构的换能器2可以有如下三种结构形式1)双层式结构一片压磁材料层2-2和一片压电材料层2-1连在一起形成整体结构；2)三明治结构一片压电材料层2-1夹在两片压磁材料层2-2之间，三者形成整体结构；3)多层式结构多片压磁材料层2-2和多片压电材料层2-1交替层叠粘在一起形成整体。换能器2的另一种结构为换能器2由呈筒状绕制的线圈2-3组成，筒的轴向就是换能器2的磁作用方向，筒的中心轴与换能器2所在位置处的电线电缆1激发磁场的方向平行，且筒沿电线电缆周长方向的尺寸小于电线电缆1横截面周长的1/4。还可在线圈2-3所围成的筒的中孔中设置高磁导率的磁芯，使换能器2的输入、输
出进一步提高。为了增加磁芯的有效磁导率，可以在磁芯的端面(一端或者两端)连接永磁体的磁极，使磁芯处于一定的偏置磁场中。在前述的方案基础上，可利用采集电器供电线磁场能量的装置实现传感器、通信装置的自供能，这种自供电的自供电无线传感器结构为它由通信模块、采集供电线磁场能量的装置、微处理器和传感器组成；微处理器分别与通信模块、传感器通信连接；通信模块和传感器通信连接；采集供电线磁场能量的装置为微处理器、通信模块和传感器提供电能。 能量采集器将供电线周围的电磁能转化为电能后输出到微处理器、通信模块和传感器；微处理器控制传感器采集数据并将数据传输到通信模块，传感器在采集供电线磁场能量的装置供电下工作，获取供电线路上的电流、温度或现场气象等状态信息；微处理器控制通信模块，通过无线通信网络向监测中心发送采集到的数据信息。
在前述的自供电无线传感器基础上，还可以构建出无需外部供能的供电线状态监测系统，它由多个自供电无线传感器、无线通信网络和监测中心组成；各个自供电无线传感器通过无线通信网络与监测中心通信连接。
权利要求
1.一种采集供电线电流激发磁场能量的装置，其特征在于在电线电缆(1)中电流激发的磁场区域设置多个具备磁电转换功能的换能器(2)，换能器(2)的磁场作用方向与换能器(2)所在位置处的电线电缆(1)中电流激发的磁场方向平行；换能器(2)沿电线电缆 (1)周长方向的尺寸小于电线电缆(1)横截面周长的1/4。
2.根据权利要求1所述的采集电器供电线磁场能量的装置，其特征在于换能器(2) 由压磁材料层(2-1)和压电材料层(2-2 )交替层叠组成，压磁材料层(2-1)和压电材料层 (2-2)形状相同；材料层的交界面与换能器(2)所在位置处的电线电缆(1)中电流激发的磁场方向平行，且材料层沿电线电缆(1)周长方向的尺寸小于电线电缆(1)横截面周长的 1/4。
3.根据权利要求1所述的采集电器供电线磁场能量的装置，其特征在于换能器(2)由呈筒状绕制的线圈(2-3)组成，筒的中心轴与换能器(2)所在位置处的电线电缆(1)电流激发磁场的方向平行，且筒沿电线电缆(1)周长方向的尺寸小于电线电缆(1)横截面周长的 1/4。
4.根据权利要求3所述的采集电器供电线磁场能量的装置，其特征在于线圈(2-3)所围成的筒的中孔中设置有高磁导率的磁芯。
5.根据权利要求4所述的采集电器供电线磁场能量的装置，其特征在于高磁导率的磁芯的端面与永磁体的磁极相连。
6.一种采用如权利要求1所述装置的自供电无线传感器，其特征在于它由通信模块、 采集供电线磁场能量的装置、微处理器和传感器组成；微处理器分别与通信模块、传感器通信连接；通信模块和传感器通信连接；采集供电线磁场能量的装置为微处理器、通信模块和传感器提供电能。
7.一种采用如权利要求5所述的自供电无线传感器的供电线状态监测系统，其特征在于它由多个自供电无线传感器、无线通信网络和监测中心组成；各个自供电无线传感器通过无线通信网络与监测中心通信连接。
全文摘要
本发明公开了一种采集供电线电流激发磁场能量的装置，其结构为在电线电缆中电流激发的磁场区域设置多个具备磁电转换功能的换能器，换能器的磁场作用方向与换能器所在位置处的电线电缆中电流激发的磁场方向平行；换能器沿电线电缆周长方向的尺寸小于电线电缆横截面周长的1/4。本发明还公开了基于前述结构的自供电无线传感器，以及基于自供电无线传感器的供电线状态监测系统。本发明的有益技术效果是可对电器供电线(包括单线，双线，三线电缆)中电流激发的磁场能量进行采集获得电能；利用采集到的能量驱动自供电无线传感器运作，并形成供电线状态监测系统。
文档编号H02J17/00GK102299571SQ201110135349
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月24日 优先权日2011年5月24日
发明者文玉梅, 李平, 杨进 申请人:卢爱君, 重庆大学