CN113489373B - 一种变压器振动传感器及其宽频带振动微能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种变压器振动传感器及其宽频带振动微能量采集器，结构简单，设计合理，实现100Hz～200Hz宽频振动的情况下振动能量的有效转化。其包括从上到下依次设置的上拾振单元、叠层线圈和下拾振单元；所述上拾振单元包括上固定框架、上支撑梁和上永磁体；上永磁体通过上支撑梁与上固定框架连接，所述下拾振单元包括下固定框架、下支撑梁和上永磁体；下永磁体通过下支撑梁与下固定框架连接，所述叠层线圈固定设置，且与上永磁体和下永磁体呈同轴间隔设置。
Description
技术领域
本发明涉及变电设备在线监测领域，具体为一种变压器振动传感器及其宽频带振动微能量采集器。
背景技术
电力变压器运行时，电流通过绕组在绕组间、线饼间及线匝间产生电动力引起绕组振动。由于作用在导体上的电动力与电流和磁场强度的乘积成正比，因此变压器绕组导体所受电动力及绕组振动的加速度正比于负载电流的平方。振动信号的基频为100Hz，当变压器绕组变形后，振动中会产生分数次谐波和高次谐波。因此，为了监测变压器运行状态，采用振动监测法可实现绕组故障诊断。适用于在线监测绕组运行状态，不影响电力变压器正常运行，且与设备无电气连接，具有安全、可靠性高等优点。
变压器绕组振动信号由加速度传感器检测。加速度传感器内部自带电荷放大器，可将振动声学信号转换成与之成正比的电压信号。加速度传感器通过固定底座安装于变压器外壁，安装位置通常选取在油箱外壁正面中部或顶面中部靠近绕组处。同时，为了保证检测点的统一性，加速度传感器底座长期固定于变压器外壁。信号采集单元由采集模块、处理模块、电源模块及通信模块构成，且内置放大、滤波、A/D转换等信号调理电路。在传感器应用过程中，随着传感器向无线化发展，需要通过电池对传感器进行供电。通过在传感器内部设计振动微能量收集装置，为传感器的电池或超级电容进行充电，将有效提升传感器的连续运行时间，实现环境能量的有效采集。
目前，电磁式振动微能量采集器基于电磁感应原理，通过磁铁和线圈的相互运动实现线圈中产生感应电流，进而将振动机械能转换为电能。该方法取决于磁铁与线圈的相互运动距离，二者相对距离变化越剧烈，则输出能量越高。为了提高能量采集器输出功率，使能量采集器谐振频率与变压器振动激振频率相同，则会大幅提高磁铁和线圈相对运动距离。同时，通过器件可动部件的非线性振动模态设计，也会进一步拓宽能量采集器的共振频带范围。
但即使如此，目前大多数微型振动能量收集器存在工作频带窄等问题，即只有在谐振频率处有峰值电压输出，当外界振动频率离开谐振频率后输出电压迅速下降，这一点极大地降低了微型振动能量收集器对环境的适应性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种变压器振动传感器及其宽频带振动微能量采集器，结构简单，设计合理，实现100Hz～200Hz宽频振动的情况下振动能量的有效转化。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种宽频带振动微能量采集器，包括从上到下依次设置的上拾振单元、叠层线圈和下拾振单元；
所述上拾振单元包括上固定框架、上支撑梁和上永磁体；上永磁体通过上支撑梁与上固定框架连接，
所述下拾振单元包括下固定框架、下支撑梁和上永磁体；下永磁体通过下支撑梁与下固定框架连接，
所述叠层线圈固定设置，且与上永磁体和下永磁体呈同轴间隔设置。
可选的，所述上支撑梁呈十字布置，连接上永磁体和上固定框架。
可选的，所述上支撑梁呈刚性且呈蛇形折叠设置，蛇形折叠平面与上永磁体的运动方向垂直。
可选的，所述下支撑梁呈十字布置，连接下永磁体和下固定框架。
可选的，所述下支撑梁呈刚性且呈环形的直支撑梁设置，环形的平面与下永磁体的运动方向垂直。
可选的，所述上支撑梁和下支撑梁的振动相位相反。
可选的，所述上支撑梁的谐振频率和下支撑梁的谐振频率相互错开。
可选的，所述上固定框架和下固定框架呈一体设置为固定框架，叠层线圈与固定框架连接固定。
可选的，所述叠层线圈包括多个沿轴向叠加的线圈单元，多个线圈单元并联连接。
一种变压器振动传感器，包括如上任意一项所述宽频带振动微能量采集器，用于变压器振动传感器的取能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过采用上永磁体-叠层线圈-下永磁体的三明治结构设计，实现宽频振动能量的有效收集，并通过叠层线圈的高密度并联，实现能量的高效捕获及转化。由于变压器振动传感器体积限制较小，在器件高度要求不高的条件下，实现100Hz～200Hz宽频振动的情况下振动能量的有效转化，支撑传感器长时间运行。
进一步的，对于上下两个永磁体对应的呈悬臂梁设置的上支撑梁和下支撑梁，通过质量及弹性系数的调整，使其振动相位相反。这样在变压器振源的振动激励下，两个永磁体运动方向相反，进一步放大线圈内磁通量变化，提高振动机械能到电能的转化能力。
附图说明
图1为本发明实例中所述宽频带振动微能量采集器的结构正视图。
图2为图1的A向视图。
图3为图1的B向视图。
图中：1、上永磁体；2、上固定框架；3、上支撑梁；4、叠层线圈；5、下永磁体；6、下固定框架；7、下支撑梁。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
针对变压器振动监测场景，有效拓展微型振动能量收集器的工作频带，提高其对环境的适用性是微型振动能量收集器迈向实用化进程中需要解决的一大问题。有必要通过工作频带的拓展进一步提高器件应用水平，但是由于变压器表面的振动频率基频在100Hz，高阶的振动频率在200Hz、300Hz等基频的倍频上，且低频振动能量分布较多。因此，常用的频带拓展方法，如针对梁结构进行优化设计，以进一步拓展谐振频带的宽度也难以覆盖所需的振动频率范围。
为了解决上述的问题，本发明提供了一种宽频带振动微能量采集器，其能够内置在变压器振动传感器中进行供能。本发明提出一种“磁铁-线圈-磁铁”的新型振动能量采集器结构。两个磁铁的谐振频率相互错开，并通过梁的质量和弹性系数的调整，使其受迫振动的振动模态相位差大于π。依据此方法实现两个可动磁铁在叠层线圈中运动范围的扩展，实现在不同谐振频率上都有功率的更大输出，有效提高振动微能量采集器的应用范围。
本优选实例中，如图1所示，包括从上到下依次设置的上拾振单元、叠层线圈4和下拾振单元；所述上拾振单元包括上固定框架2、上支撑梁3和上永磁体1；上永磁体1通过上支撑梁3与上固定框架2连接，所述下拾振单元包括下固定框架6、下支撑梁7和上永磁体1；下永磁体5通过下支撑梁7与下固定框架6连接，所述叠层线圈4固定设置，且与上永磁体1和下永磁体5呈同轴间隔设置。
其中，由于在变压器振动传感器中，对体积要求不很严格，因此对振动能量采集器的体积要求较为宽松。本发明通过设置两个谐振频率不同的可动磁铁，即上永磁体1和下永磁体5，并在两块磁铁当中设置叠层线圈4。两个磁铁的支撑梁均为十字对称布置，由于变压器表面贴装可能将器件整体贴于设备侧面，通过十字布置可以有效增强当磁铁运动时，叠层线圈4中的磁通量发生变化，进而产生感应电流，将振动能量转换为电能，并将能量存储在电池中，作为传感器的可靠电源之一。
本优选实例中，如图1所示，上永磁体1、叠层线圈4和下永磁体5三个部件垂直放置，呈矩形封装，并在周围四个角落通过螺钉进行固定；上固定框架2和下固定框架6呈一体设置为固定框架，叠层线圈4与固定框架连接固定。如图2所示，上支撑梁3呈刚性且呈蛇形折叠设置，蛇形折叠平面与上永磁体1的运动方向垂直，上部的磁铁为钕铁硼材质的永磁体，并固定到硅材质的蛇形的上支撑梁3上。蛇形梁相较于普通的悬臂梁其刚度更低，具有谐振频率更低的特点，将其谐振频率设置为100Hz，更容易捕获低频振动能量。同时，除了一阶模态，由于其在垂直梁的方向上仍然存在自由度，则在该扭转模态处同样会引起线圈磁通量变化，实现振动能量到电能的转换。
同时，所述线圈为叠层线圈4。由于单层线圈能量输出难以满足要求，故通过MEMS工艺，在柔性双层板上的顶面及底面刻蚀出双层铜线圈，并将多层线圈相并联，进一步提高输出感应电流。
此外，结构最下方放置另一块永磁体，即下永磁体5，并通过十字部署的双悬臂梁进行支撑，如图3所示，下支撑梁7呈刚性且呈环形的直支撑梁设置，环形的平面与下永磁体5的运动方向垂直。此时该结构比顶部磁铁的刚度明显变大，其谐振频率更高。根据变压器振动特征，将其谐振频率设置为200Hz，进而在叠层线圈4中引起更大磁通量变化。
更好的，对于上下两个永磁体对应的悬臂梁，通过质量及弹性系数的调整，使其振动相位在同一时刻上处于相反状态，即相位差大于π。这样在变压器振源的振动激励下，上永磁体1和下永磁体5的两个磁铁在同一时刻上运动方向相反，进一步放大线圈内磁通量变化，提高振动机械能到电能的转化能力。
基于上述的宽频带振动微能量采集器，还提供一种变压器振动传感器，将宽频振动能量采集器封装于变压器振动传感器中，传感器同时集成了储能电池、主控单元、振动感知模块及数据传输模块。传感器整体贴装于变压器侧壁或顶部。在变压器振动的激励下，通过对振动相位的设计，在100Hz-200Hz激振频率下，振动能量采集器的两个永磁体与线圈的相互运动方向相反，加大线圈中磁通量的变化。线圈中磁通量变化后根据电磁感应原理，线圈中产生感应交变电流及电压，通过多层线圈并联，并进行整流后输入到电池中进行储存稳压，提供给后端振动感知模块及主控单元。通过该能量采集器结构的设计，实现在多个谐振频率下振动能量的有效收集，进而为变压器振动监测传感器的供能提供有效保障。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (3)
1.一种宽频带振动微能量采集器，其特征在于，包括从上到下依次设置的上拾振单元、叠层线圈（4）和下拾振单元；
所述上拾振单元包括上固定框架（2）、上支撑梁（3）和上永磁体（1）；上永磁体（1）通过上支撑梁（3）与上固定框架（2）连接，
所述下拾振单元包括下固定框架（6）、下支撑梁（7）和下永磁体（5）；下永磁体（5）通过下支撑梁（7）与下固定框架（6）连接，
所述叠层线圈（4）固定设置，且与上永磁体（1）和下永磁体（5）呈同轴间隔设置；
所述上支撑梁（3）呈十字布置，连接上永磁体（1）和上固定框架（2）；
所述上支撑梁（3）呈刚性且呈蛇形折叠设置，蛇形折叠平面与上永磁体（1）的运动方向垂直；
所述下支撑梁（7）呈十字布置，连接下永磁体（5）和下固定框架（6）；
所述下支撑梁（7）呈刚性且呈环形的直支撑梁设置，环形的平面与下永磁体（5）的运动方向垂直；
所述上支撑梁（3）和下支撑梁（7）的振动相位相反；
所述上支撑梁（3）的谐振频率和下支撑梁（7）的谐振频率相互错开；
所述上固定框架（2）和下固定框架（6）呈一体设置为固定框架，叠层线圈（4）与固定框架连接固定。
2.根据权利要求1所述的一种宽频带振动微能量采集器，其特征在于，所述叠层线圈（4）包括多个沿轴向叠加的线圈单元，多个线圈单元并联连接。
3.一种变压器振动传感器，其特征在于，包括如权利要求1-2任意一项所述宽频带振动微能量采集器，用于变压器振动传感器的取能。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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