面向线路微风振动监测的可调频电磁式振动能量采集器_张明皓.pdf

电 力 信 息 与 通 信 技 术Electric Power Information and Communication TechnologyVol.21 No.2Feb.2023第 21 卷 第 2 期2023 年 2 月面向线路微风振动监测的可调频电磁式振动能量采集器张明皓1，宋睿1，张树华1，王俊元2，李运甲2（1.中国电力科学研究院有限公司，北京市 海淀区 100192；2.西安交通大学 电气工程学院，陕西省 西安市 710049）A Frequency Adjustable Electromagnetic Vibration Energy Harvester for Breeze Vibration Monitoring of Transmission LinesZHANG Minghao1,SONG Rui1,ZHANG Shuhua1,WANG Junyuan2,LI Yunjia2(1.China Electric Power Research Institute Co.,Ltd.,Haidian District,Beijing 100192,China;2.Department of Electrical Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,Shaanxi Province,China)摘要：导线微风振动具有随机、宽频的特征，针对导线微风振动情况进行监测可防止断股、断线等灾害发生。目前微风振动传感器取电手段较单一，制约其可靠性的提升。文章设计一种基于改变梁长的可调频电磁式振动能量采集器，为丰富传感器的供能手段奠定了基础。器件的拾振结构由聚酰亚胺柔性梁和磁铁部分构成，且能够通过手动调节梁长的方式改变其谐振频率，使该能量采集器存在极大的调频范围。测试结果表明，在2.58.5 mm的梁长范围内，电磁式振动能量采集器谐振频率调整范围为24.573.3 Hz，在0.22 g加速度下输出电压峰峰值的变化范围为56.7214.5 mV，为成为微风振动传感器的补充能源奠定基础。关键词：振动；能量收集；电磁式；调频机构ABSTRACT:The breeze vibration of wire has random broadband characteristics.Monitoring the breeze vibration of wire can prevent strand breakage and other disasters.At present,the power supply method of breeze vibration sensor is relatively simple,which restricts the improvement of reliability.In this paper,a frequency adjustable electromagnetic vibration energy harvester by changing the beam length is presented,which provides the basis for enriching the energy supply method.The vibration picking structure of the device is composed by a flexible polyimide beam and a magnet,and the resonant frequency can be changed by adjusting the length of the beam,which makes the energy harvester have a widely frequency modulation range.The test results verified that the beam length varies from 2.5 mm to 8.5 mm,while the resonant frequency covered from 24.5 Hz to 73.3 Hz.Under the acceleration of 0.22 g,the peak-to-peak value of the corresponding output voltage ranged from 56.7 mV to 214.5 mV,which shows the potential of becoming an additional power supply.KEY WORDS:vibration;energy harvester;electromagnetic;frequency modulation mechanism0引言输电线路多架设在野外并裸露在高空中，在风的影响下，导线不可避免的产生振动现象。其中，导线的微风振动发生概率极大，长时间可能导致导线断股、断线的现象发生，给线路的安全稳定运行带来极大隐患1。微风振动的特点是振幅小(不超过导线直径)但持续时间长，其频率范围宽至数十赫兹2。当前，已有部分微风振动在线监测传感器挂网运行。但是由于装置长期运行于野外，其供电可靠性制约装置的进一步推广应用。若能将振动能量进行收集存储，并作为补充能源供给传感器使用，将极大改善现有传感器的局限性。2010年起，欧洲逐步开始应用以微能量收集技术为基础进行研发的新型传感装置，推进微瓦级别能量收集技术的进一步发展3。借助能量采集技术，将振动能量转换为电能，为低功耗电子元器件进行可持续供电逐步成为一种解决方案4。按照工作原理进行分类，振动能量采集器可分中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：2095-641X(2023)02-072-07 DOI：10.16543/j.2095-641x.electric.power.ict.2023.02.09著录格式：张明皓，宋睿，张树华，等面向线路微风振动监测的可调频电磁式振动能量采集器J 电力信息与通信技术，2023，21（2）：72-78基金项目：国家电网有限公司总部科技项目资助“基于电网设备振动的微能量采集机理与微器件实现技术研究”(5600-202055304A-0-0-00)。第 21 卷 第 2 期电 力 信 息 与 通 信 技 术为静电式5、压电式和电磁式6 3种，此外还有基于多种发电原理的复合式振动能量采集器7。其中，电磁式振动能量采集器不需要启动电源，可通过集成电路工艺进行制备。尽管该种器件的输出电压和功率尚不足以达到静电式或压电式器件的水平，但不断有学者致力于器件的结构优化，使得电磁式振动能量采集器的输出电压和功率得到不断提升8。电磁式振动能量采集器主要基于法拉第电磁感应定律将机械能转换为电能9，通过永磁体与线圈相对位置的变化实现电压输出。因此，能量采集器的振动部件可以是线圈、永磁体或者二者同时振动，以实现能量的转换10。动圈式的电磁振动能量采集器的核心在于线圈加工工艺的选择，通常可选用微机械加工或者印制电路板(printed circuit board，PCB)加工。由于需要增加振动幅度，线圈上通常需要附加更多质量；动铁型电磁振动能量采集器通过磁铁质量提高振动幅度，也便于通过双面线圈等方式增加线圈匝数，使得输出电压和功率提高，但该方法仍未解决电磁式能量采集器线圈受限这一问题。铁圈同振型振动能量采集器在不改变拾振部件刚度的条件下进一步提高了低频振动下的电能获取能力11，但该种方式制作工艺较为复杂，相较于批量生产的要求还有较大差距。本文在分析和研究现有电磁式振动能量采集技术的基础上，采用PCB工艺，提出一种可变梁长的电磁式振动能量采集器设计方法。该器件采用聚酰亚胺材料制作的柔性梁，杨氏模量较低，有利于降低采集器的谐振频率，并且采用直梁结构便于调节梁长，从而改变其器件的谐振频率。器件的调频结构由基座与上下夹板构成，其上下夹板通过螺栓固定，柔性梁通过螺栓与其基座固定。当其手动调整螺栓改变上下夹板位置时，可保证其柔性梁的位置不变，从而有效改变柔性梁的有效长度，调节该器件谐振频率，使得该器件具有极大调频范围。1模型分析目前振动模型均采用图1中的单自由度线性的质量、弹簧、阻尼器的力学模型，该模型首先由Williams和Yates12提出。其中y(t)为系统整体位移；质量块m为拾振部件质量；弹簧弹性系数为k，b(e)和b(m)分别为系统电磁阻尼和机械阻尼。当系统整体以y(t)的位移振动时，质量块m相对于基座的位移为z(t)，则系统运动微分方程可表示为y(t)=Ysin(t)(1)mz?(t)+(be+bm)z?(t)+kz(t)=-my?(t)=m2Ysin(t)(2)式(2)的特解具有如下形式：z(t)=Zsin(t-)(3)将式(3)代入式(2)中可以得到：(-m2+k)Zsin(t-)+bTZcos(t-)=m2Ysin(t)(4)式中bT=be+bm，表示系统的总阻尼系数。将等式(4)右侧变形，即：m2Ysin(t)=m2Ysin(t-+)=m2Ycossin(t-)+m2Ysincos(t-)(5)对比式(4)和(5)系数则可以得到：Z=m2Y(k-m2)2+bT22(6)=tan-1(bT/(k-m2)(7)即：z(t)=Zsin(t-)=m2Y(k-m2)2+bT22sin(t-)(8)阻尼器吸收和耗散的瞬时功率可以表示为bTz?2，其中z?=Zcos(t-)(9)则阻尼器吸收和耗散的瞬时功率可表示为Pinst=bT2Z2cos2(t-)(10)1个周期内阻尼器吸收和耗散的能量的积分形式为Ecycle=bT2Z202/cos2(t-)dt=bTZ2(11)其平均值可表示为Pav=Ecycle2/=bT2Z22=m2bT6Y22(k-m2)2+bT22(12)将 系 统 固 有 频 率n=k/m；阻 尼 比=bT/2mn，代入上式可得到系统平均功率为弹簧(k)y(t)b(e)b(m)z(t)质量块(m)图1单自由度振动模型示意图Fig.1Schematic diagram of single freedom vibration model73张明皓等：面向线路微风振动监测的可调频电磁式振动能量采集器Vol.21 NPav=m3(n)3Y2(2n)2+(1-(n)2)2(13)当振动频率为固有频率n时，即/n=1，即当激振台输出振动频率和器件谐振频率相等时，得到最大输出功率，即：Pav=m3Y24(14)由式(12)(14)可知，平均功率与质量呈正相关关系，而与系统的总阻尼负相关；同时，平均功率与谐振频率的三次方成正比、并与振源振幅的平方成正比。由上可知，环境的振动频率和幅值虽然不可进行设计，但要使得振动能量采集器输出功率最大化，在谐振频率的选择上需要平衡环境振动频率和式(14)，在设计时需要保证总阻尼系数尽可能小是振动能量采集器的重要原则之一。为满足宽频测量需求，根据以上推论，需要振动能量采集器能够在一定振动频段内进行固有频率的调整，因此，本文提出一种频段可调的动铁式振动微能量采集器。2材料选择及仿真2.1拾振梁材料选择振动微能量采集器拾振部件可简化为单端固定的简支梁模型(见图2)，并在自由端固定有永磁体。梁长是拾振部件振动响应的关键参数，根据Euler-Bernoulli 梁解耦公式，连续悬臂梁振动本征频率13为fi=12(L)2EIA(15)式中：i为模态数；为横梁材料线密度；A为梁的横截面积；L为梁长；E为杨氏模量；I为惯性矩，I=(1/12)bh3。根据式(15)可以看出，随着横梁长度增加，其各本征频率呈下降趋势。目前，电磁式振动能量采集器常用拾振弹簧材料按照硬度不同可分为柔性梁平面弹簧和刚性梁平面弹簧。其中刚性梁以镍、钛等金属及硅等非金属为主，柔性梁以高分子聚合物，如聚对二甲苯等为主14。由于杨氏模量较高，金属和硅弹簧固有频率较高而不适合采集低频振动。柔性