一种基于磁电换能器的导线磁场能量采集装置及其方法与流程

本发明属于能量采集技术领域，涉及一种基于磁电换能器的导线磁场能量采集装置及其方法。

背景技术：

无线传感网络作为一种新型的信息获取和处理技术，在现实生活中得到了越来越广泛的应用，就目前的技术而言，阻碍无线传感网络发展的一个重要因素就是能量供应，传统电池供电具有更换不方便、污染环境、使用寿命短等问题，自供能技术的提出很好的解决了这一难题。外界环境中存在着各种各样的能量，自供能技术也称为能量采集技术就是通过一定的方式将这些能量收集并进行转换从而为低功耗设备供能。

目前，能量采集技术主要针对振动能、太阳能、风能等能量密度较大的外界能量。如中国发明专利cn105846643a、cn105846647a、cn205725515u。对于输电导线周围磁场能量采集的发明较少，已有的发明中，如中国发明专利cn104038102b采用压电悬臂梁式结构，结构以及工作原理较为复杂，要实现采集器最大化输出必须通过仿真确定采集器与输电导线的相对位置，在实际应用中不便于安装。中国发明专利cn106160575a采用音叉结构，利用安培力的作用实现采集，结构体积较大且对于输电导线周围的微弱磁场，采用该方式漏磁较为严重采集效率较低。

技术实现要素：

有鉴于此，本专利针对现有输电导线周围磁场能量采集器的不足，公开提出一种基于磁电换能器的导线磁场能量采集装置及其方法，具有采集原理简单、结构体积小、能量采集效率高等诸多优点。

为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供一种基于磁电换能器的导线磁场能量采集装置，包括套设于输电导线上的异形聚磁结构以及安装在该异形聚磁结构上呈相对设置的磁电换能器和永磁体。

进一步，所述异形聚磁结构由一大一小的两个环体组成，较大的环体与较小的环体通过支撑同轴设置，所述较大的环体上开设有用于置放磁电换能器的上缺口和用于置放永磁体的和下缺口，所述较小的环体面向该下缺口的对应面上开设有让位口，所述输电导线依次通过下缺口和让位口进入到较小的环体内部。

进一步，所述较大的环体上所设的上缺口呈梯形结构。

进一步，所述较大的环体上所设的下缺口具有在环体径向上内凹且在环体轴向上贯穿的凹槽。

进一步，所述异形聚磁结构由高磁导率材料通过线切割加工工艺制作而成。

进一步，所述磁电换能器由压电材料、磁致伸缩材料以及软磁材料的层合而成，并采用五层的fmpmf结构。

进一步，所述永磁体采用铁磁材料。

本发明还提供一种基于磁电换能器的导线磁场能量采集方法，利用上述的基于磁电换能器的导线磁场能量采集装置，该采集方法包括如下步骤：首先，将异形聚磁结构套装于输电导线上；然后，利用该异形聚磁结构汇聚输电导线周围的微弱磁场，同时利用异形聚磁结构上所设的永磁体来增强异形聚磁结构的聚磁效果；然后，利用异形聚磁结构上所设的磁电换能器来感受交变磁场，并完成磁-机-电的转化，最终输出电能。

相比现有的输电导线周围磁场能量采集器，本发明有以下有益效果：

1、本发明采用高磁导率的异形聚磁结构，相对于开放式的采集器，可以很大程度上减少漏磁，从而更加有效的实现对微弱磁场的采集。

2、本发明利用了永磁体在进一步增强聚磁效果的同时为磁电换能器提供静态的偏置磁场，通过对该永磁体磁场强度的调整，可以使聚磁效果以及磁电换能器输出达到最佳。

3、本发明的采集原理是利用磁场本身的特性，相对于利用安培力原理的采集器工作更稳定，原理更简单，体积更小。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1：本发明所涉及的基于磁电换能器的导线磁场能量采集装置及其方法的三维模型图；

图2：磁电换能器结构示意图；

图3：异形聚磁结构示意图；

图4：永磁铁极化方向示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1-4，附图中的元件标号分别表示：异形聚磁结构1、磁电换能器2、永磁体3、输电导线4；其中，较大的环体11、较小的环体12、让位口13、上缺口14、下缺口15。

实施例基本如附图所示：本实施例提供一种基于磁电换能器的导线磁场能量采集装置，包括套设于输电导线4上的异形聚磁结构1以及安装在该异形聚磁结构1上的磁电换能器2和永磁体3，所述异形聚磁结构1由一大一小的两个环体组成，较大的环体11与较小的环体12通过支撑同轴设置，所述较大的环体11上开设有呈相对设置的上缺口14和下缺口15，所述磁电换能器2置放于该上缺口14处，所述永磁体3置放于该下缺口15处，所述较小的环体12面向该下缺口15的对应面上开设有让位口13，所述输电导线4依次通过下缺口15和让位口13进入到较小的环体11内部。

采用上述方案，当输电导线4中有交变电流通过时，其周围会产生交变磁场，在异形聚磁结构1和永磁体3的共同作用下，会将输电导线4产生的磁场汇聚至磁电换能器2上，在本例中永磁体3既可以增强聚磁效果，又可以为磁电换能器2内的磁致伸缩层提供静态偏置磁场，然后通过磁电换能器2实现巨磁-机-电耦合效应产生电能输出。

本实施例中的异形聚磁结构1是一种特殊的异形结构，通过仿真优化，采用该结构能够最大限度的增强对输电导线4周围磁场能量的汇聚效果同时使得结构的体积达到最小，并由高磁导率的材料通过线切割加工工艺制备而成，磁场通过该异形聚磁结构1的导磁作用会被汇聚至缺口处，采用圆弧轮廓极大的减少了磁场泄漏。

本实施例中的较大的环体11上所设的上缺口14具有外口大内口小的梯形结构。这样便于磁电换能器2在该上缺口14处的放置更加稳固。

本实施例中的较大的环体11上所设的下缺口15具有在环体径向上内凹且在环体轴向上贯穿的凹槽(未标记)。这样通过该凹槽设计，可使永磁体3被很好的夹持在该下缺口15处。

本实施例中的磁电换能器2基于非线性磁-机-电耦合效应，结合异形聚磁结构1，本例中的磁电换能器2采用五层结构的fmpmf，包括软磁材料层2-1、2-2，磁致伸缩层2-3、2-4，压电层2-5，利用环氧树脂粘合剂粘贴在一起，胶层薄而均匀，其中f层是指软磁材料(如fecov、fecunbsib等)，凭借其高导磁率和磁滞特性，一方面配合异形聚磁结构进一步增强磁电换能器所感受到的磁场强度，另一方面可以提升磁致伸缩材料的压磁性能，m层是指磁致伸缩材料(如terfenol-d、feni等)利用其自身的特殊效应产生形变完成磁-机转换并将该形变传递给压电材料，p层指的是压电材料(如pzt、pvdf、zno、aln等)根据压电效应实现机-电转换；最终通过优化计算确定与异形聚磁结构相配合的最佳尺寸。

本实施例中的永磁体3是一种带有一定弧度的磁铁，选择磁性能较好的铁磁材料制成，被夹持在异形聚磁结构1下缺口15处，主要用以增强对磁场的汇聚作用，其次为磁电换能器提供静态偏置磁场，通过仿真研究，调整该永磁体的磁性强度，使得在该结构下磁电换能器的输出达到最大。

本发明还提供一种基于磁电换能器的导线磁场能量采集方法，利用上述的基于磁电换能器的导线磁场能量采集装置，该采集方法包括如下步骤：首先，将异形聚磁结构1套装于输电导线4上；然后，利用该异形聚磁结构1汇聚输电导线4周围的微弱磁场，并传导至其上缺口14处，同时利用异形聚磁结构1的下缺口15处所设的永磁体3来增强异形聚磁结构1的聚磁效果；然后，利用异形聚磁结构1的上缺口14处所设的磁电换能器2来感受交变磁场，并完成磁-机-电的转化，最终输出电能。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。