[發(fā)明專利]用于城市軌道交通橋梁健康監(jiān)測的電磁式振動能量收集器

在審

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• 申請日: 2018-03-01
• 公開（公告）號: CN108462355A
• 公開（公告）日: 2018-08-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 侯文崎;李言坤;國巍;段曉旭;郭詠輝
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: H02K35/04
• 分類號: H02K35/04
• 代理公司: 長沙朕揚知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 43213
• 代理人: 周孝湖

本發(fā)明公開了一種用于城市軌道交通橋梁健康監(jiān)測的電磁式振動能量收集器，包括：殼體以及置于殼體內(nèi)的彈簧組件、質(zhì)量塊、線圈和兩塊永磁鐵，兩塊永磁鐵異極相對設(shè)置，彈簧組件設(shè)置在兩塊永磁鐵之間，彈簧組件的上端安裝線圈，質(zhì)量塊設(shè)置在線圈內(nèi)，質(zhì)量塊的質(zhì)量、彈簧組件的總剛度和能量收集器的固有頻率三者之間滿足以下關(guān)系式：f＝(k/4mπ²)^1/2，其中，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量，單位為kg；k為彈簧組件的總剛度，單位為kN/m；f為能量收集器的固有頻率，其值為5?6，單位為Hz。該電磁式振動能量收集器應(yīng)用于城市軌道交通橋梁健康監(jiān)測時電能儲存效率高、輸出功率高、功率產(chǎn)出密度高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及橋梁健康監(jiān)測的自供電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于城市軌道交通橋梁健康監(jiān)測的電磁式振動能量收集器。

背景技術(shù)

節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁(SPA橋梁)作為一種快速施工橋梁，在城市軌道交通高架線中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。與傳統(tǒng)現(xiàn)澆法施工的橋梁相比，SPA橋梁具有綠色、節(jié)能、高效的優(yōu)點，但是由于其拼接縫的存在，節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁的截面剛度和使用耐久性一直是被關(guān)注的重點。為確保橋梁的正常運營，對橋梁進行長期健康監(jiān)測是非常必要的。橋梁健康監(jiān)測需要在橋上布置或埋設(shè)元器件，如何為這些預(yù)埋元器件提供持續(xù)和穩(wěn)定的能源供給是重要的研究目標。

基于以上背景，國內(nèi)外有一種研究趨勢是通過收集橋梁環(huán)境振動或是結(jié)構(gòu)自身振動的能量，將振動所產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為可使用的電能，給預(yù)埋元器件供能。這種供電方式受收集裝置的影響，效率參差不齊。根據(jù)裝置收集原理的不同，收集器主要包括兩種類型：壓電式能量收集器和電磁式能量收集器。其中，壓電式能量收集器對于材料的要求較高，且輸出的阻抗大、電流小，目前的報道大多是關(guān)于電磁式能量收集器。電磁式能量收集器具有結(jié)構(gòu)簡單且輸出電流高的優(yōu)點。電磁振動能量收集器(EM-VEHs)按照法拉第電磁感應(yīng)定律的原理工作。當通過環(huán)路區(qū)域的磁通量密度發(fā)生變化時，電磁感應(yīng)能量在閉環(huán)線圈中感應(yīng)出來。一般來說，EM-VEHs由永磁體、線圈和彈簧系統(tǒng)等組成(如圖1所示)，由于振動，EM-VEHs中的磁極與線圈之間有相對運動，線圈內(nèi)感應(yīng)出電動勢，將車輛引起橋梁振動產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為橋梁健康監(jiān)測元器件工作所需的電能。

城市軌道交通高架橋梁上車輛對于橋梁結(jié)構(gòu)的激勵引起的振動主要是低頻的，一般在2Hz～10Hz之間，現(xiàn)有研究的受低頻激勵(≤10Hz)的電磁式振動能量收集器其功率輸出密度通常不大于50μW/cm³，儲電效率低，且大多數(shù)處于實驗室階段，裝置制作工藝復(fù)雜，使城市軌道交通高架橋梁健康監(jiān)測元器件的自供電成本較高，難以進行推廣。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于，提供一種電磁式振動能量收集器，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的電磁式振動能量收集器應(yīng)用于城市軌道交通橋梁健康監(jiān)測時電能儲存效率不高、輸出功率低、功率產(chǎn)出密度低的技術(shù)問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種用于城市軌道交通橋梁健康監(jiān)測的電磁式振動能量收集器，包括：殼體以及置于殼體內(nèi)的彈簧組件、質(zhì)量塊、線圈和兩塊永磁鐵，兩塊永磁鐵異極相對設(shè)置，彈簧組件、質(zhì)量塊和線圈均設(shè)置在兩塊永磁鐵之間，彈簧組件的下端固定在殼體的底板上，其上端安裝線圈，質(zhì)量塊設(shè)置在線圈內(nèi)，質(zhì)量塊的質(zhì)量、彈簧組件的總剛度和能量收集器的固有頻率三者之間滿足以下關(guān)系式：

f＝(k/4mπ²)^1/2

其中，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量，單位為kg；k為彈簧組件的總剛度，單位為kN/m；f為能量收集器的固有頻率，其值為5-6，單位為Hz。

進一步的，質(zhì)量塊的質(zhì)量為1400kg-1600kg，彈簧組件的總剛度為1800kN/m-1808kN/m，兩塊永磁鐵的高度均為0.18m-0.22m，能量收集器靜止時線圈的底層中心線距離殼體的底板內(nèi)側(cè)的高度為0.09m-0.11m。