一种基于电磁振动能量收集器的输电线路舞动在线监测系统

摘要

本发明涉及一种基于电磁振动能量收集器的输电线路舞动在线监测系统，属于智能电网技术领域。该能量收集器包括：定子、转子、滚动轴承、绝缘层和外壳；定子包括定子磁轭、定子磁齿、铁芯、缠绕在铁芯上的线圈；转子包括转子磁轭、转子磁齿和转子永磁体；滚动轴承内表面与绝缘层、外壳固定，其外表面和转子固定；利用本发明提出的电磁振动能量收集器，利用电磁感应原理，能够实现面向输电线路舞动状态下机电能量的高效转换，以实现在线监测装置的自供电运行。

说明书

技术领域

本发明属于智能电网技术领域，涉及一种基于电磁振动能量收集器的输电线路舞动在线监测系统。

背景技术

电力输电线路长期裸露在自然条件下，不仅要面对沉陷、滑坡、污秽、强风及雷击等自然侵害，还要承担着覆冰载荷和风载荷等因素引起的线路舞动问题。输电线路舞动常导致线路上各种器件及设备的折损，严重时容易引起输电线路相间闪络，造成线路跳闸停电或引起导线断股、杆塔倒塌等事故，严重威胁电力输电网络的稳定运行，造成重大的经济损失。因此，为减少输电线路舞动事故的发生，提高电力系统安全稳定运行，需深入开展输电线路舞动状态监测技术的研究。

目前关于输电线路舞动在线监测技术主要包括：图像采集监测、分布式传感监测、光纤传感监测等。公开号为CN205862496U的专利中，公开了一种输电线路舞动智能视频在线监测系统，该系统采用智能视频进行输电线路舞动在线监测。公开授权号为CN101571413的专利中，公开了一种基于加速度传感器的输电线路舞动在线监测系统，该监测系统实时采集输电线路各监测点处三个方向的位移加速度值，准确得到各监测点的相对位移，拟合出输电线路每一时刻的运动轨迹，实现了对输电线路舞动的在线监测。公开号为CN202230101U的专利中，公开了一种基于光纤光栅的输电线路舞动监测传感装置，该装置利用光纤光栅应力敏感元件实现对线路舞动的在线监测，具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、灵敏度较高、体积小、重量轻等优点，适合在复杂环境下的输电线路舞动的监测使用。

然而，驱动上述在线监测方法中传感节点的能源供应成为了制约其在输电线路舞动在线监测领域中发展的瓶颈之一。考虑到传统电池技术寿命有限、高维护成本和环境问题，实现对在线监测装置的自驱动供电是一种有效地解决方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于电磁振动能量收集器的输电线路舞动在线监测系统，针对输电线路舞动状态在线监测过程中传感节点无法得到长期稳定供电的问题，提出利用电磁振动能量收集技术实现面向输电线路舞动状态下机电能量的高效转换，以实现在线监测装置的自供电运行。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电磁振动能量收集器，包括：定子、转子、滚动轴承4和外壳2；定子包括定子磁轭8、定子磁齿7、铁芯10、缠绕在铁芯上的线圈11；转子包括转子磁轭5、转子磁齿6和转子永磁体9；

滚动轴承4内表面与外壳2固定，其外表面和转子固定。转子磁轭5内设有圆孔，嵌入滚动轴承4；转子磁轭5外表面直径与转子磁齿6内表面直径相等；滚动轴承5两端对称设置两组定子磁轭8和转子磁轭5；两个定子磁轭8之间在通过铁芯10连接，铁芯10两端固定在对称的定子磁齿7上；两个转子磁轭5之间通过转子永磁体9连接，转子永磁体9两端固定在对称的转子磁齿6上。

进一步，滚动轴承4内表面设有绝缘层3，绝缘层3紧贴固定导线。

进一步，外壳采用不导磁的材料。

进一步，定子/转子磁轭、定子/转子磁齿采用硅钢材料，转子永磁体9采用具有磁能积、矫顽力和剩磁比的稀土材料。

进一步，本发明提供还一种基于电磁振动能量收集器的输电线路舞动在线监测系统，包括：电磁振动能量收集器、输电线路、分布式传感器和无线传感模块；

该系统的测量方法包括：运用分布式传感器，测量线路发生舞动的位移，对线路位移数据进行导线舞动轨迹还原，计算机通过线路发生舞动的实时变化来对架空输电线路进行监测；随着线路舞动的持续发生，带动电磁振动能量收集器实现线路舞动状态下的机电能量转换，给分布式传感器与无线传感模型进行供电。

本发明的有益效果在于：本发明针对架空输电线路舞动特点，采用一种实现输电线路舞动状态下机电能量转换的能量收集器，实现了输电线路舞动在线监测装置的自供电运行。

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为本发明所述的电磁振动能量收集器的竖向立体结构图；

图2为本发明所述的电磁振动能量收集器的横向立体结构图；

图3为本发明所述的基于电磁振动能量收集器的输电线路舞动在线监测系统框图；

图4为转动频率对线圈电压输出的影响(线圈500匝)；

图5为转动频率对线圈功率输出的影响(线圈500匝)；

图6为转动频率对线圈电压输出的影响(线圈1000匝)；

图7为转动频率对线圈功率输出的影响(线圈1000匝)；

附图标记：1-导线，2-外壳，3-绝缘层，4-滚动轴承，5-转子磁轭，6-转子磁齿，7-定子磁齿，8-定子磁轭，9-转子永磁体，10-铁芯，11-线圈。

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。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图7，图1和图2为一种电磁振动能量收集器，包括：定子、转子、滚动轴承4和外壳2；定子包括定子磁轭8、定子磁齿7、铁芯10、缠绕在铁芯上的线圈11；转子包括转子磁轭5、转子磁齿6和转子永磁体9。

滚动轴承4内表面与外壳2固定，其外表面和转子固定。外壳、定子、滚动轴承内径、导线为一体，标记A；转子、滚动轴承外径为一体，标记B。当导线舞动时候，导线带动A相对于B整体运动，但从相对运动角度，即认为B相对A运动。因此，就是导线舞动导致定转子发生相对运动，定转子间气隙中穿过的磁通量发生变化，产生感应电动势。

转子磁轭5内设有圆孔，嵌入滚动轴承4，用于传导舞动机械能进而促使定转子相对运动，导线与模型接触部分均有聚四氟乙烯以保证绝缘。滚动轴承4内表面设有绝缘层3。转子磁轭外表面直径与设置有转子磁齿6内表面直径相等。。滚动轴承4两端对称设置两组定子磁轭8和转子磁轭5；两个定子磁轭8之间在通过铁芯10连接，铁芯10两端固定在对称的定子磁齿7上；两个转子磁轭5之间通过转子永磁体9连接，转子永磁体9两端固定在对称的转子磁齿6上。

磁轭、磁齿均为硅钢材料、永磁体为磁能积、矫顽力和剩磁比较高的稀土材料钕铁硼(NdFeB)，外壳采用不导磁的铝质。

该电磁振动能量收集器通过其转子上的绝缘层固定在导线上，转子上的永磁体产生固定磁场，舞动状态下的导线带动滚动轴承运动，进而带动转子转动，定子上的线圈切割磁场，随着定、转子间相对运动，穿过定子线圈的磁通量发生变化，进而在线圈中产生感应电动势，最终实现该装置在导线舞动状态下的机电能量转换。

利用电磁振动能量收集器以实现线路舞动状态下机电能量的转换，该电磁式能量收集器能为无线传感网络供电。如图3所示，整个输电线路舞动在线监测系统包括：输电线路、分布式传感器(惯性传感器/加速度传感器)、供能模块(能量收集器)、无线传感模块(Zigbee)。对输电线路的舞动监测可以运用分布式传感器，测量线路发生舞动的位移，对线路位移数据进行导线舞动轨迹还原，计算机通过线路发生舞动的实时变化来对架空输电线路进行监测。随着线路舞动的持续发生，带动电磁振动能量收集器实现线路舞动状态下的机电能量转换，给分布式传感器与无线传感模型进行供电。

验证实验：

在有限元环境下构建适用于输电线路典型运行场景的电磁振动发电机模型，给定了模型的初始仿真参数，包括：线圈匝数为500/1000，线圈直径为0.3mm，线圈导电率为6×10

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。