新型马鞍形电缆盘动力传输中的振动能量收集装置

朱 纯 王 斌 ,3 林 波 ,4 孙 波 易 华 ,5

（1.国网上海市电力公司 上海 201499；2.国网上海市电力公司工程建设咨询分公司 上海 201499；3.上海久隆电力（集团）有限公司 上海 200070；4.华东送变电工程有限公司 上海 201803；5.上海江钧信息咨询有限公司 上海 202157）

马鞍形电缆盘动力装置在电工程建设中发挥着重要作用。它能够有效解决现有放缆装置放线费力、不灵活，被动传动、易“内伤”，没有安全刹车装置等问题。新型的放缆装置吃盘结构为马鞍式，稳定性高；装置可伸缩，兼容多规格线盘，适配广，提高匹配效率；拥有独立的电磁刹车系统，停电可用；动力系统可离合切换，空挡、摩擦、刚性转动三档可选。马鞍形电缆盘动力装置中的新型电磁振动能量收集装置能够有效地利用电缆释放过程中振动的能量，可以有效地解决能源的浪费问题；也为马鞍形电缆盘的动力装置能量循环利用提出一个理想解决方案[1]。

振动能量收集装置根据其操作方式可分为三大类，即电磁感应[2–4]、压电[5]和静电产生[6-7]。 在三种振动能量收集装置中，压电能量收集装置具有体积小、简单、功率密度高的特点[8-9]而静电能量收割机具有较高的功率转换效率[10]，但它的能量收集处理外部电源需要产生静电场，这与构建自治电源系统的目的背道而驰。电磁感应能量收集装置具有发电效率高，发电量大的特点[11]，因此，在马鞍形电缆盘动力装置中更适合于收获VI能量。

本文研究了一种便携式和可靠的电磁振动能量收集装置与超级电容器摇摆电缆。电磁能量收集技术利用电磁感应原理将振动能量转化为电能。电磁振动能量收集装置根据其运动方式可分为两种类型，即直线型和旋转型。 线性电磁能量收集技术主要是通过磁体的线性运动，通过绕在磁体外部的线圈引起磁通的变化。 Delnavaz等人设计了一种线性电磁振动能量收集装置，在呼吸过程中收获能量。在模拟人体呼吸时，当磁铁固定在导管末端时，能量收集效率达到最大值；该装置提供25mV 的感应电压输出，输出功率为 3.1μW[12]。 旋转电磁能量收集技术将能量通过往复直线振动运动转化为旋转运动，并通过发电机的旋转最终完成发电；该技术主要用于获得振动频率低、振幅大的振动能。 美国密歇根大学设计了一种电磁低频振动能量收集装置，该装置利用频率放大技术，将采集到的低频振动能量转化为高频振动能量，然后转化为电能[13]。S.G.Burrow等人利用磁通集中器设计了一种振动能量收集装置[14]。 在英国南安普敦大学设计的一种结构中，一对Nd-Fe-B永磁体被放置在马蹄形铁芯上，悬臂的振动导致磁通的变化以完成能量收集[15]。2001年英国谢菲尔德大学制造的电磁微型发电机只有尺寸25.3mm，操作自由，质量为4MHz，该装置可提供0.3μW的输出功率[16]。 2009年，意大利布雷西亚大学利用FR4材料和印刷电路板技术制作了线圈振动式电磁振动能量收集装置[17]。 左等人设计了一种振动能量收集装置，用于将车辆的振动转化为电能，并提供68W的最大输出功率[18]。张祖涛等设计了一种用于公路速度颠簸的能量收集装置，该装置将速度颠簸 上的屏障块的上下振动转化为交流电机的旋转运动，并提供高达194V的输出电压[19]。 张祖涛还设计了一种用于电动汽车阻尼系统的能量收集装置[20]。 近年来，越来越多的研究侧重于能源收集和替代能源[21]。一些能量收集系统已被用于与自主传感器相关的电源问题。Pourghodrat等人设计了一种铁路能量收集系统，将轨道的动能转化为电能，为偏远地区提供替代电源[22]。 沈文爱和朱松业提出了一种新的系统，称为电磁阻尼器和能量收割机，用于桥式斜拉索，既实现了减振功能，又实现了能量收集功能。Palomera-Arias等人（2008）研究了用于民用振动控制的线性运动EMD结构[23]。 在上述机制中，电磁感应是一种很有前途的机制，可以很好地服务于振动控制和能量收集功能[24-25]。 研究结果表明， 这些新系统的目的是收集能量，但仍然不够，如可移植性和耐久性。上述系统旨在设计高效、便携、可靠和简单的设施，但这些技术仍然面临两个主要挑战：（1）有效地捕获任意随机振动能量；（2）增加输出功率，使系统适合于需要高功率的设备。与传统的振动不同，电缆的振动包括在马鞍形电缆盘在收缆和放缆过程中电缆水平方向和垂直方向的振动；这两种运动的耦合产生了运动中多方向和随机的振动。 本文提出了一种新型的Y形能量收集装置，它可以将电缆的多向随机振动转化为齿轮的单向旋转运动，从而驱动发电机发电。 选择超级电容器作为存储电容器，其优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，以及更好地适应电压急剧变化的电能和日温波动较大的室外环境。

1 系统设计

利用Y型能量收集装置进行能量转换的流程图如图1所示。 该过程由4个主要模块组成：（1）振动能量输入模块；（2）传输模块；（3）能量转换模块；（4）储能模块。电缆在马鞍形电缆盘的收缆和放缆过程中会产生振动，构成了系统的振动能量输入模块。传输模块采用Y形径向齿轮齿条结构，有三个单向齿轮单元，均匀分布在圆上。 传输模块将电缆的随机振动转换为三个单向齿轮单元的单向旋转运动。能量转换模块通过交流发电机将单向旋转转换为电能。储能模块将产生的电能存储在超级电容器中。

图1 振动能量的输入

1.1 振动能量输入模块

电缆被认为是近似于接触网结构，固定在两端，电缆的振动能主要来源于马鞍形电缆盘在收缆过程中，在动力装置的驱动下电缆盘转动，电缆在此过程中由于受力不均匀而产生X方向和Y方向上的两种不同的运动，这两种运动的耦合振动成为获得振动能量的主要来源。

1.2 传输模块

能量收集系统的核心—传输模块，可分为单向齿轮单元和Y形机架单元两部分，如图2所示的由Y形机架单元和单向齿轮单元组成的传输模块，将电缆的随机振动转换为单向旋转。

图2 Y形机架单元

1.2.1 单向齿轮单元

单向齿轮单元是由较大齿轮、中齿轮以及较小齿轮组成的齿轮组，如图2所示。 较大的齿轮，位于圆的前侧，与齿条的一侧啮合，中齿轮，位于圆的背面，与较小的齿轮啮合。中齿轮具有内置的单向轴承，单向轴承的较大齿轮，轴和内部轨道固定在一起，使它们具有相同的旋转角速度。 中间较小的齿轮与发电机同轴。当电缆接近单向齿轮单元时，齿条向左上方移动，较大的齿轮及其连接轴顺时针旋转，而较小的齿轮及其连接轴逆时针旋转。 由于单向轴承不能顺时针旋转，中档顺时针旋转，从而传递扭矩。

1.2.2 Y形机架单元

Y形机架单元如图2所示。 电缆被安装成垂直于圆圈的平面，并通过圆圈中心；三个单向齿轮单元在圆圈的同一外围以 120°的角度均匀分布。三套单向齿轮单元电缆脱离单向齿轮单元。与三个平行平面上的机架啮合，确保三组在移动时不相互干扰。

1.3 能量转换模块

利用发电机的电磁效应，能量转换模块将机械能从齿轮的旋转转化为电能。 商用发电机主要有三种：（1）交流感应电动机；（2）直流刷电机；（3）直流无刷电机。 直流电刷电机使用寿命短，因为它们的碳刷和换向器产生火花和碳尘，当它们旋转时，这些火花和碳尘很容易对它们的部件造成损坏。 直流无刷电机容易产生共振，因为当它们以低速启动时会有轻微的振动。 选择了一种交流感应电动机，因为它使用寿命长；在稳定的直流电压下的输出可以通过附加电路的改变来实现。

1.4 储能模块

系统输入的振动能量是不确定的，以收放缆的速度而变化，振动产生的电压也随之变化。 发电机产生的电压不能直接存储起来，直到整流、平滑和稳定后变成直流稳态，才能实现其采集。 其中，所述稳压电路为基于 LM317三端的恒压限流充电电路，选择一个超级电容器作为储能电容器。由于电压仍然波动，虽然经过整流、平滑和稳定后变化较小，超级电容器也可以很好地适应；此外，电容器具有各种优点，如高功率密度、短的充放电时间和长的循环寿命。

2 建模分析

2.1 发电机电磁阻尼的计算

交流发电机产生的交流电经整流后变成直流电。交流发电机产生三相交流电压。每个阶段之间有120°差异，其计算公式如下：

其中：PE为交流发电机功率；Poutput为外部负载的电功率；Plost为三相内阻消耗的电能；Re为可控外部电阻；Ri为发电机各相内阻； Em为相电压幅值；Ke为由产生的电压之间的比例常数交流发电机及其转速；wg为交流发电机的旋转角速度；Ce为交流发电机的电磁阻尼。

2.2 单向齿轮单元的输入扭矩

当电缆接近单向齿轮单元时，啮合传动路径为齿轮，其输入扭矩为：

其中： Tr齿条施加在较大齿轮2上的等效扭矩，该值是齿条和齿条之间作用力Fr乘积较大齿轮和较大齿轮2的半径；Ji为齿轮i的转动惯量，i=1、2、3、4；α（t）为齿轮2的旋转角度；Cr为齿条与齿轮2之间的啮合阻尼； Z5、Z2为齿轮 5 和 2 上的齿数；Cm1为齿轮1和2之间的啮合阻尼； Cm5为齿轮3和5之间的啮合阻尼；T3为作用在齿轮3上的扭矩。

当电缆脱离单向齿轮单元时，啮合传动路径为齿轮T2→T4→T5。 由于结构的对称性，齿条对较大齿轮T2施加的等效扭矩等于 Tr，计算公式为：

P输入为单向齿轮单元的输入能量； mr为架子的质量；R为齿轮的参考圆半径；J为转动惯量。

输入产出模拟振幅分别为5 cm和10 cm，频率为3 Hz，P输入和P输出曲线显示，如图3所示。

图3 单向齿轮单元输入输出功率曲线

2.3 单向齿轮单元阻尼力的仿真与分析

齿轮装置振动频率和振幅（2Hz，5cm）、（2Hz，10cm）、（2Hz，15cm）和（4Hz，5cm）进行模拟，结果如图4所示。

图4 单向齿轮单元在不同激励下的动态响应

2.4 机架单元布局的选择与分析

通过比较几种不同齿轮齿条布局的效率，根据较少的单向齿轮单元用于实现齿轮单元获得的最大平均能量的原则，选择了合适的齿 条单元布局。 考虑到单元加工和制造的难度和成本，应使用最小可能数量的齿轮齿条单元。 这里选择了四个典型的机架单元布局，如图5所示。

图5 四个机架单元布局

在相同的振动下，Y形布局所获得的能量是直角布局收获的1.5倍；因此单向齿轮单元获得的平均能量是相同的。从单元布局来看，Y形和直角布局具有相同的能量收集效率。 然而，与直角布局相比，Y形布局具有更好的结构稳定性，因此，综合考虑，选择了Y形机架单元。Y型机架单元具有较高的能量收集效率，比传统齿轮和机架具有更好的结构稳定性。它将随机的电缆振动转化为齿轮和机架的相对运动，并且没有过度冗余结构，它也保证收获的效率和稳定性，如图6所示。

图6 齿轮齿条平衡网点

在输入振幅为15 cm，频率为2 Hz、θ=60°的振动情况下，传统布局和Y形布局在能量收集效率方面进行了比较，如图7和图8所示，具有相同的特点，实际能量收集效率η=P/Pn= 0.55%。

图7 振动性能对比

图8 能量变化对比

3 结语

本研究提出了一种有效的电磁能量收集装置，该装置存储从电缆振动能量转换的电能。该装置采用超级电容器作为供电电源，该装置由机械传动系统和电能存储系统组成。 由于对电缆不确定运动方向的良好适应，Y形布局可以将Y形机构平面上的随机振动转换为齿轮齿条啮合旋转。 然后，齿轮通过单向轴承放大啮合旋转的振动，将双向运动转化为 单向旋转，提高了电能转换效率。 选择超级电容器进行储能，以响应快速变化的瞬态电流， 并向外部负载提供稳定的电源。 通过MATLAB仿真对该装置进行了初步评价，其运动转换效率明显高于传统的单向能量收集装置。 这证明了马鞍形电缆盘动力装置所提出的电磁能量收集系统在获取可再生能源时，提高了能源的利用率。