基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器及其制备方法

1.本发明属于磁场俘能技术领域，特别是涉及一种基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器及其制备方法。

背景技术：

2.配用电网络中海量的传感通信节点是实现输电线路在线故障监测，信息互联互通的基础，是建设智能电网的关键。而当前传感器网络依然面临供能困难的瓶颈问题。在输电线路上安装使用传统的化学电池，存在使用寿命有限，维修更换困难，且易造成环境污染等问题。
3.基于电流互感原理的取能线圈，制造成本低，技术相对成熟，是目前电网领域传感网络自供能方案的最佳选择。但是电流互感线圈需要环形聚磁铁芯，往往体积大，难以安装到空间受限的配用电线路。另外，在高压侧母线电流过小(《2a)时，输出电压仅毫伏量级，存在供电死区；而高压侧母线电流过大时也会导致闭合铁芯饱和，快速发热。为了解决这个矛盾，一般使用非闭合铁芯进行聚磁。气隙的引入改善了饱和问题，但是在小电流下，感应线圈输出电压低的问题并没有得到解决。
4.相比于电流互感器，压电能量收集器因为其自身内阻大，低频下机电转换效率高，可以有效解决上述小电流下供电死区问题。磁-力-电能量收集器是压电能量收集器的拓展。其通过磁扭矩效应和磁致伸缩效应实现磁-力转换，再利用压电效应进行力电转换，从而实现能量收集的功能。磁-力-电能量收集器在没有聚磁环的辅助下就可以实现高达150uw/(cm3*oe2)的磁场取能密度和42vpp(@0.48oe，50hz磁场激励)的开路输出电压。但是和传统电流互感线圈类似，磁-力-电能量收集器同样难以承受高电流激励，因此常用开环配置提高饱和工作电流上限。另外，压电式能量收集器输出功率有限，仅mw量级，远远达不到电流互感器的功率级别。

技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明旨在提出一种基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器，以解决上述背景技术中提到的现有电网自供能传感器的应用需求以及现有磁场取能技术存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器，包括封装壳体、载流导线、两对v形夹具，螺栓、互感线圈、聚磁铁芯、压电材料、磁致伸缩梁和永磁体；
7.所述压电材料粘贴在磁致伸缩梁表面，磁致伸缩梁的一端通过夹持螺栓拧紧固定在封装壳体上，另一自由端放置永磁体，永磁体设置在聚磁铁芯气隙的中心位置，封装壳体内部设置限位装置，用于固定聚磁铁芯，聚磁铁芯一侧螺绕互感线圈，载流导线通过v形夹具和左右两端螺栓的配合固定在封装壳体上。
8.更进一步的，所述压电材料为压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物，可为pvdf、pvdf-trfe、linbo3、batio3、pb(zr,ti)o3、pb(mg,nb)o
3-pbtio3、pb(zn,nb)o
3-pbtio3或bisco
3-pbtio3中的一种。
9.更进一步的，所述磁致伸缩梁由单一的磁致伸缩材料构成，包括metglas、fe-ga合金、terfernol-d合金、fe-ni合金、feco、fecob、fegab、nizn铁氧体以及ni金属中的一种，或者由磁致伸缩材料与弹性金属层复合而成，弹性金属包括不锈钢，弹簧钢，铜，合金铜中的一种。
10.更进一步的，所述互感线圈采用表面绝缘的铜导线围绕聚磁铁芯紧密绕制，聚磁铁芯为开环配置，气隙空间足够容纳磁-力-电能量回收器中的永磁体质量块。
11.更进一步的，气隙表面增设力缓冲装置，限制悬臂梁自由端位移和防止冲击力对结构产生破坏，聚磁铁芯设计为圆形或者u形中的一种。
12.更进一步的，所述永磁体为圆柱形或者长方体形，放置于磁致伸缩梁10的自由端附近或者中间节点位置，永磁体包括ndfeb、smco、alnico以及永磁铁氧体的一种。
13.一种所述的基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器的制备方法，具体包括以下步骤：
14.(1)、机械设计，3d打印加工封装壳体；
15.(2)、在聚磁铁芯上均匀缠绕互感线圈；
16.(3)、将缠绕有线圈的聚磁铁芯，固定安装于封装壳体内；
17.(4)、制备压电材料、磁致伸缩材料以及完成两相材料复合；
18.(5)、将封装壳体通过v形夹具与载流导线固定连接；
19.(6)、磁致伸缩梁自由端放置永磁体，另一端通过螺栓固定在封装壳体上，同时使永磁体位于聚磁铁芯气隙中心位置；
20.更进一步的，步骤(4)中的磁致伸缩材料的制备方法为：将磁致伸缩材料裁剪成目标尺寸，用酒精擦拭表面，烘干后取出；在磁致伸缩材料表面旋涂环氧树脂，完成多层磁致伸缩材料的复合；将多层磁致伸缩材料，放入静压机中室温固化24小时取出。
21.更进一步的，步骤(4)中的压电材料为块体材料或者宏观纤维材料，块体压电材料采用厚度方式极化，宏观压电纤维采用叉指电极横向极化，或者并联厚度极化，以降低内阻，
22.宏观压电纤维的制备方法为：制作柔性叉指电极，厚度40um；超声清洗厚度极化的压电纤维，烘干后取出；在柔性叉指电极表面旋涂环氧树脂，顺序放置压电纤维，完成压电纤维和柔性电极的复合。
23.更进一步的，步骤(4)中的压电材料与磁致伸缩材料两相材料复合的制备方法为：将复合柔性电极的压电纤维利用真空压缩技术室温固化24小时取出，形成压电宏观纤维复合材料(mfc)；在压电宏观纤维复合材料(mfc)和磁致伸缩梁表面旋涂环氧树脂，将两部分粘合，固化完成后取出。
24.与现有技术相比，本发明所述的一种基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器及其制备方法的有益效果是：
25.本发明提出的基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器，考虑非闭合铁芯的聚磁效应，结合电流互感线圈和磁-力-电能量回收器的各自优势，一方面大大增
加了电流互感线圈的饱和电流，其次利用磁-力-电能量回收器在小电流下输出电压大的特点，有效解决了传统电流互感线圈工作阈值电流大的问题；另一方面，利用电流互感线圈在大电流下输出功率高的优势，也保证了复合式取能器件既能在小电流下正常供电，也能在大电流下有效储电。
附图说明
26.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
27.图1为本发明所述的一种基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器的整体结构示意图；
28.图2为本发明所述的一种基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器的内部结构示意图。
29.其中，1-封装壳体；2-固定螺栓/螺母；3-载流导线；4-v形夹具；5-螺栓；6-互感线圈；7-聚磁铁芯；8-夹持螺栓；9-压电纤维；10-磁致伸缩梁；11-预置开口；12-永磁体。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
31.一、具体实施方式一，参见图1-2说明本实施方式，一种基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器，包括封装壳体1、载流导线3、两对v形夹具4，螺栓5、互感线圈6、聚磁铁芯7、压电材料9、磁致伸缩梁10和永磁体12；
32.所述压电材料9粘贴在磁致伸缩梁10表面，磁致伸缩梁10的一端通过夹持螺栓8拧紧固定在封装壳体1上，另一自由端放置永磁体12，永磁体12设置在聚磁铁芯7气隙的中心位置，封装壳体1内部设置限位装置，用于固定聚磁铁芯7，聚磁铁芯7一侧螺绕互感线圈6，载流导线3通过v形夹具4和左右两端螺栓5的配合固定在封装壳体1上。
33.所述压电材料9为压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物，可为pvdf、pvdf-trfe、linbo3、batio3、pb(zr,ti)o3、pb(mg,nb)o
3-pbtio3、pb(zn,nb)o
3-pbtio3或bisco
3-pbtio3中的一种。
34.所述磁致伸缩梁10由单一的磁致伸缩材料构成，包括metglas、fe-ga合金、terfernol-d合金、fe-ni合金、feco、fecob、fegab、nizn铁氧体以及ni金属中的一种，或者由磁致伸缩材料与弹性金属层复合而成，弹性金属包括不锈钢，弹簧钢，铜，合金铜中的一种，自由端的磁性质量块为永磁体，包括ndfeb、smco、alnico以及永磁铁氧体的一种。
35.所述互感线圈6采用表面绝缘的铜导线围绕聚磁铁芯紧密绕制，聚磁铁芯7为开环配置，气隙空间足够容纳永磁体12。
36.气隙表面增设力缓冲装置，限制磁致伸缩梁10自由端位移和防止冲击力对结构产生破坏，聚磁铁芯7设计为圆形或者u形中的一种。
37.所述永磁体12为圆柱形或者长方体形，放置于磁致伸缩梁10的自由端附近或者中间节点位置。
38.封装壳体1分成两部分，封装壳体1的两部分通过上下一对螺栓2连接固定在一起。
39.封装壳体1两端的v形夹具，通过光孔与其相配合的螺栓5连接，旋转螺栓5调整v形夹具4的夹持半径，实现对不同直径导线的固定。
40.通过封装壳体1上的开口，拧紧螺栓8固定悬臂梁磁-力-电能量回收器的夹持端。
41.悬臂梁磁-力-电能量回收器中的压电材料9和磁致伸缩梁10通过环氧树脂粘接。自由端的永磁体12磁化方向垂直于聚磁铁芯7气隙中的磁场方向，产生扭矩。
42.磁-力-电能量回收器中磁致伸缩梁10的几何形状可以为长条形，三角形，梯形中的一种，或者三者的组合形状。夹持方式包括一端夹持和两端夹持中的一种。永磁体12可以为圆柱形或者长方体形，放置于梁的自由端附近或者中间节点位置。
43.电流互感器由开环聚磁铁芯7和互感线圈6组成。磁-力-电能量收集器采用经典悬臂梁结构，包括压电材料9、磁致伸缩梁10和永磁体12。其中压电材料9通过环氧树脂粘贴在磁致伸缩梁10表面；磁致伸缩梁10的一端通过螺母/螺栓拧紧固定于封装壳体1内，自由端放置永磁体12，实现预置的谐振频率；永磁体12放置在聚磁铁芯7的气隙中心。聚磁铁芯7为高磁导率铁氧体，一侧螺旋缠绕互感线圈6。载流导线3通过v形夹具4和左右两端螺栓的配合固定于封装壳体1。封装壳体1内测设置凹槽用以配合互感线圈，同时设置开口用于拧紧磁致伸缩梁10的夹持端。
44.本实施案例中互感线圈采用直径350um的铜漆包线紧密绕制，单层，匝数为100匝；聚磁铁芯材料为相对磁导率4000的铁镍氧化物，是外尺寸为长60mm，宽80mm，厚10mm，内尺寸为长40mm，宽60mm，厚10mm中间镂空的长方体结构，外部4个角设置有半径为15mm的圆角，内部设置半径为5mm的圆角，气隙长度为30mm；磁致伸缩梁由多层磁致伸缩材料metglas组成，长45mm，宽7mm，厚0.6mm。多层磁致伸缩材料metglas通过环氧树脂复合。压电材料采用柔性宏观纤维材料mfc，长40mm，宽14mm，厚0.23mm。压电宏观纤维材料mfc由压电陶瓷pzt，柔性电极和环氧树脂组成。压电材料和磁致伸缩梁通过环氧树脂粘接在一起；缠绕在磁芯上的线圈利用502胶水固定。永磁体质量块为长方体形状，整体尺寸：长19mm，宽5mm，高9mm，材料为强磁体ndfeb。封装壳体1采用3d打印技术制作。
45.实施案例中一种基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器的制备方法，包括以下步骤：
46.步骤1，机械设计，3d打印加工封装壳体1。
47.步骤2，在聚磁铁芯7上均匀缠绕互感线圈6。
48.步骤3，将缠绕有线圈的聚磁铁芯7，固定安装于封装壳体1上。
49.步骤4，将磁致伸缩材料metglas裁剪成目标尺寸，用酒精擦拭表面，烘干后取出。
50.步骤5，在磁致伸缩材料表面旋涂环氧树脂(west system105/206)，完成多层磁致伸缩材料的复合。
51.步骤6，将多层磁致伸缩材料，放入静压机中室温固化24小时取出。
52.步骤7，制作柔性叉指电极，厚度40um。
53.步骤8，超声清洗厚度极化的压电纤维，烘干后取出。
54.步骤9，在柔性叉指电极表面旋涂环氧树脂，顺序放置压电纤维材料。完成压电材料和柔性电极的复合。
55.步骤10，将复合柔性电极的压电纤维利用真空压缩技术室温固化24小时取出，形
成压电宏观纤维材料mfc。
56.步骤11，在压电宏观纤维材料mfc和磁致伸缩梁表面旋涂环氧树脂(west system105/206)，将两部分粘合，固化完成后取出。
57.步骤12，磁致伸缩梁10自由端放置永磁体ndfeb12，另一端通过螺栓固定在封装外壳1上，同时使永磁体12位于铁芯气隙中间位置。
58.步骤13，螺栓5配合v形夹具4，向里拧紧，直至固定载流导线3。
59.本发明提出的基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器，考虑非闭合铁芯的聚磁效应，结合电流互感线圈和磁-力-电能量回收器的各自优势，一方面大大增加了电流互感线圈的饱和电流，其次利用磁-力-电能量回收器在小电流下输出电压大的特点，有效解决了传统电流互感线圈工作阈值电流大的问题。另一方面，利用电流互感线圈在大电流下输出功率高的优势，保证了复合式取能器件既能在小电流下正常供电，也能在大电流下有效储电。
60.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

技术特征：

1.一种基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器，其特征在于：包括封装壳体(1)、载流导线(3)、两对v形夹具(4)、螺栓(5)、互感线圈(6)、聚磁铁芯(7)、压电材料(9)、磁致伸缩梁(10)和永磁体(12)；所述压电材料(9)粘贴在磁致伸缩梁(10)表面，磁致伸缩梁(10)的一端通过夹持螺栓(8)拧紧固定在封装壳体(1)上，另一自由端放置永磁体(12)，永磁体(12)设置在聚磁铁芯(7)气隙的中心位置，封装壳体(1)内部设置限位装置，用于固定聚磁铁芯(7)，聚磁铁芯(7)一侧螺绕互感线圈(6)，载流导线(3)通过v形夹具(4)和左右两端螺栓(5)的配合固定在封装壳体(1)上。2.根据权利要求1所述的基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器，其特征在于：所述压电材料(9)为压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物，可为pvdf、pvdf-trfe、linbo3、batio3、pb(zr,ti)o3、pb(mg,nb)o
3-pbtio3、pb(zn,nb)o
3-pbtio3或bisco
3-pbtio3中的一种。3.根据权利要求1所述的基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器，其特征在于：所述磁致伸缩梁(10)由单一的磁致伸缩材料构成，包括metglas、fe-ga合金、terfernol-d合金、fe-ni合金、feco、fecob、fegab、nizn铁氧体以及ni金属中的一种，或者由磁致伸缩材料与弹性金属层复合而成，弹性金属包括不锈钢，弹簧钢，铜，合金铜中的一种。4.根据权利要求1所述的基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器，其特征在于：所述互感线圈(6)采用表面绝缘的铜导线围绕聚磁铁芯紧密绕制，聚磁铁芯(7)为开环配置，气隙空间足够容纳永磁体(12)。5.根据权利要求4所述的基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器，其特征在于：气隙表面增设力缓冲装置，限制磁致伸缩梁(10)自由端位移和防止冲击力对结构产生破坏，聚磁铁芯(7)设计为圆形或者u形中的一种。6.根据权利要求1所述的基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器，其特征在于：所述永磁体(12)为圆柱形或者长方体形，放置于磁致伸缩梁(10)的自由端附近或者中间节点位置，永磁体(12)包括ndfeb、smco、alnico以及永磁铁氧体的一种。7.一种根据权利要求1所述的基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：(1)、机械设计，3d打印加工封装壳体(1)；(2)、在聚磁铁芯(7)上均匀缠绕互感线圈(6)；(3)、将缠绕有线圈的聚磁铁芯(7)，固定安装于封装壳体(1)内；(4)、制备压电材料(9)、磁致伸缩材料以及完成两相材料复合；(5)、将封装壳体(1)通过v形夹具(4)与载流导线(3)固定连接；(6)、磁致伸缩梁(10)自由端放置永磁体(12)，另一端通过螺栓固定在封装壳体(1)上，同时使永磁体(12)位于聚磁铁芯(7)气隙中心位置。8.根据权利要求7所述的基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器的制备方法，其特征在于：步骤(4)中的磁致伸缩材料的制备方法为：将磁致伸缩材料裁剪成目标尺寸，用酒精擦拭表面，烘干后取出；在磁致伸缩材料表面旋涂环氧树脂，完成多层磁致伸缩材料的复合；
将多层磁致伸缩材料，放入静压机中室温固化24小时取出。9.根据权利要求7所述的基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器的制备方法，其特征在于：步骤(4)中的压电材料(9)为块体材料或者宏观纤维材料，块体压电材料采用厚度方式极化，宏观压电纤维采用叉指电极横向极化，或者并联厚度极化，以降低内阻，宏观压电纤维的制备方法为：制作柔性叉指电极，厚度40um；超声清洗厚度极化的压电纤维，烘干后取出；在柔性叉指电极表面旋涂环氧树脂，顺序放置压电纤维，完成压电纤维和柔性电极的复合。10.根据权利要求9所述的基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器，其特征在于：步骤(4)中的压电材料与磁致伸缩材料两相材料复合的制备方法为：将复合柔性电极的压电纤维利用真空压缩技术室温固化24小时取出，形成压电压电宏观纤维复合材料；在压电宏观纤维复合材料和磁致伸缩梁(10)表面旋涂环氧树脂，将两部分粘合，固化完成后取出。

技术总结

本发明提出了基于磁-力-电耦合和电流互感的复合式磁场能量回收器及其制备方法，属于磁场俘能技术领域。解决了现有电网自供能传感器的应用需求以及现有磁场取能技术的问题。压电材料粘贴在磁致伸缩梁表面，磁致伸缩梁一端固定在封装壳体上，另一自由端放置永磁体，永磁体设置在聚磁铁芯气隙的中心位置，聚磁铁芯一侧螺绕互感线圈。本发明考虑非闭合铁芯的聚磁效应，增加了电流互感线圈的饱和电流,同时结合电流互感线圈和磁-力-电能量回收器的各自优势，利用磁-力-电能量回收器在小电流下输出电压大的特点，解决了传统电流互感线圈工作阈值电流大的问题；另一方面，利用电流互感线圈在大电流下输出功率高的优势，能在大电流下有效储电。有效储电。有效储电。