新型馬鞍形電纜盤動(dòng)力傳輸中的振動(dòng)能量收集裝置

朱 純 王 斌 ,3 林 波 ,4 孫 波 易 華 ,5

（1.國網(wǎng)上海市電力公司 上海 201499；2.國網(wǎng)上海市電力公司工程建設(shè)咨詢分公司 上海 201499；3.上海久隆電力（集團(tuán)）有限公司 上海 200070；4.華東送變電工程有限公司 上海 201803；5.上海江鈞信息咨詢有限公司 上海 202157）

馬鞍形電纜盤動(dòng)力裝置在電工程建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。它能夠有效解決現(xiàn)有放纜裝置放線費(fèi)力、不靈活，被動(dòng)傳動(dòng)、易“內(nèi)傷”，沒有安全剎車裝置等問題。新型的放纜裝置吃盤結(jié)構(gòu)為馬鞍式，穩(wěn)定性高；裝置可伸縮，兼容多規(guī)格線盤，適配廣，提高匹配效率；擁有獨(dú)立的電磁剎車系統(tǒng)，停電可用；動(dòng)力系統(tǒng)可離合切換，空擋、摩擦、剛性轉(zhuǎn)動(dòng)三檔可選。馬鞍形電纜盤動(dòng)力裝置中的新型電磁振動(dòng)能量收集裝置能夠有效地利用電纜釋放過程中振動(dòng)的能量，可以有效地解決能源的浪費(fèi)問題；也為馬鞍形電纜盤的動(dòng)力裝置能量循環(huán)利用提出一個(gè)理想解決方案[1]。

振動(dòng)能量收集裝置根據(jù)其操作方式可分為三大類，即電磁感應(yīng)[2–4]、壓電[5]和靜電產(chǎn)生[6-7]。 在三種振動(dòng)能量收集裝置中，壓電能量收集裝置具有體積小、簡單、功率密度高的特點(diǎn)[8-9]而靜電能量收割機(jī)具有較高的功率轉(zhuǎn)換效率[10]，但它的能量收集處理外部電源需要產(chǎn)生靜電場，這與構(gòu)建自治電源系統(tǒng)的目的背道而馳。電磁感應(yīng)能量收集裝置具有發(fā)電效率高，發(fā)電量大的特點(diǎn)[11]，因此，在馬鞍形電纜盤動(dòng)力裝置中更適合于收獲VI能量。

本文研究了一種便攜式和可靠的電磁振動(dòng)能量收集裝置與超級(jí)電容器搖擺電纜。電磁能量收集技術(shù)利用電磁感應(yīng)原理將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能。電磁振動(dòng)能量收集裝置根據(jù)其運(yùn)動(dòng)方式可分為兩種類型，即直線型和旋轉(zhuǎn)型。 線性電磁能量收集技術(shù)主要是通過磁體的線性運(yùn)動(dòng)，通過繞在磁體外部的線圈引起磁通的變化。 Delnavaz等人設(shè)計(jì)了一種線性電磁振動(dòng)能量收集裝置，在呼吸過程中收獲能量。在模擬人體呼吸時(shí)，當(dāng)磁鐵固定在導(dǎo)管末端時(shí)，能量收集效率達(dá)到最大值；該裝置提供25mV 的感應(yīng)電壓輸出，輸出功率為 3.1μW[12]。 旋轉(zhuǎn)電磁能量收集技術(shù)將能量通過往復(fù)直線振動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并通過發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)最終完成發(fā)電；該技術(shù)主要用于獲得振動(dòng)頻率低、振幅大的振動(dòng)能。 美國密歇根大學(xué)設(shè)計(jì)了一種電磁低頻振動(dòng)能量收集裝置，該裝置利用頻率放大技術(shù)，將采集到的低頻振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為高頻振動(dòng)能量，然后轉(zhuǎn)化為電能[13]。S.G.Burrow等人利用磁通集中器設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)能量收集裝置[14]。 在英國南安普敦大學(xué)設(shè)計(jì)的一種結(jié)構(gòu)中，一對Nd-Fe-B永磁體被放置在馬蹄形鐵芯上，懸臂的振動(dòng)導(dǎo)致磁通的變化以完成能量收集[15]。2001年英國謝菲爾德大學(xué)制造的電磁微型發(fā)電機(jī)只有尺寸25.3mm，操作自由，質(zhì)量為4MHz，該裝置可提供0.3μW的輸出功率[16]。 2009年，意大利布雷西亞大學(xué)利用FR4材料和印刷電路板技術(shù)制作了線圈振動(dòng)式電磁振動(dòng)能量收集裝置[17]。 左等人設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)能量收集裝置，用于將車輛的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，并提供68W的最大輸出功率[18]。張祖濤等設(shè)計(jì)了一種用于公路速度顛簸的能量收集裝置，該裝置將速度顛簸 上的屏障塊的上下振動(dòng)轉(zhuǎn)化為交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并提供高達(dá)194V的輸出電壓[19]。 張祖濤還設(shè)計(jì)了一種用于電動(dòng)汽車阻尼系統(tǒng)的能量收集裝置[20]。 近年來，越來越多的研究側(cè)重于能源收集和替代能源[21]。一些能量收集系統(tǒng)已被用于與自主傳感器相關(guān)的電源問題。Pourghodrat等人設(shè)計(jì)了一種鐵路能量收集系統(tǒng)，將軌道的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供替代電源[22]。 沈文愛和朱松業(yè)提出了一種新的系統(tǒng)，稱為電磁阻尼器和能量收割機(jī)，用于橋式斜拉索，既實(shí)現(xiàn)了減振功能，又實(shí)現(xiàn)了能量收集功能。Palomera-Arias等人（2008）研究了用于民用振動(dòng)控制的線性運(yùn)動(dòng)EMD結(jié)構(gòu)[23]。 在上述機(jī)制中，電磁感應(yīng)是一種很有前途的機(jī)制，可以很好地服務(wù)于振動(dòng)控制和能量收集功能[24-25]。 研究結(jié)果表明， 這些新系統(tǒng)的目的是收集能量，但仍然不夠，如可移植性和耐久性。上述系統(tǒng)旨在設(shè)計(jì)高效、便攜、可靠和簡單的設(shè)施，但這些技術(shù)仍然面臨兩個(gè)主要挑戰(zhàn)：（1）有效地捕獲任意隨機(jī)振動(dòng)能量；（2）增加輸出功率，使系統(tǒng)適合于需要高功率的設(shè)備。與傳統(tǒng)的振動(dòng)不同，電纜的振動(dòng)包括在馬鞍形電纜盤在收纜和放纜過程中電纜水平方向和垂直方向的振動(dòng)；這兩種運(yùn)動(dòng)的耦合產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)中多方向和隨機(jī)的振動(dòng)。 本文提出了一種新型的Y形能量收集裝置，它可以將電纜的多向隨機(jī)振動(dòng)轉(zhuǎn)化為齒輪的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。 選擇超級(jí)電容器作為存儲(chǔ)電容器，其優(yōu)點(diǎn)是功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬，以及更好地適應(yīng)電壓急劇變化的電能和日溫波動(dòng)較大的室外環(huán)境。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用Y型能量收集裝置進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的流程圖如圖1所示。 該過程由4個(gè)主要模塊組成：（1）振動(dòng)能量輸入模塊；（2）傳輸模塊；（3）能量轉(zhuǎn)換模塊；（4）儲(chǔ)能模塊。電纜在馬鞍形電纜盤的收纜和放纜過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，構(gòu)成了系統(tǒng)的振動(dòng)能量輸入模塊。傳輸模塊采用Y形徑向齒輪齒條結(jié)構(gòu)，有三個(gè)單向齒輪單元，均勻分布在圓上。 傳輸模塊將電纜的隨機(jī)振動(dòng)轉(zhuǎn)換為三個(gè)單向齒輪單元的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。能量轉(zhuǎn)換模塊通過交流發(fā)電機(jī)將單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為電能。儲(chǔ)能模塊將產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中。

圖1 振動(dòng)能量的輸入

1.1 振動(dòng)能量輸入模塊

電纜被認(rèn)為是近似于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，固定在兩端，電纜的振動(dòng)能主要來源于馬鞍形電纜盤在收纜過程中，在動(dòng)力裝置的驅(qū)動(dòng)下電纜盤轉(zhuǎn)動(dòng)，電纜在此過程中由于受力不均勻而產(chǎn)生X方向和Y方向上的兩種不同的運(yùn)動(dòng)，這兩種運(yùn)動(dòng)的耦合振動(dòng)成為獲得振動(dòng)能量的主要來源。

1.2 傳輸模塊

能量收集系統(tǒng)的核心—傳輸模塊，可分為單向齒輪單元和Y形機(jī)架單元兩部分，如圖2所示的由Y形機(jī)架單元和單向齒輪單元組成的傳輸模塊，將電纜的隨機(jī)振動(dòng)轉(zhuǎn)換為單向旋轉(zhuǎn)。

圖2 Y形機(jī)架單元

1.2.1 單向齒輪單元

單向齒輪單元是由較大齒輪、中齒輪以及較小齒輪組成的齒輪組，如圖2所示。 較大的齒輪，位于圓的前側(cè)，與齒條的一側(cè)嚙合，中齒輪，位于圓的背面，與較小的齒輪嚙合。中齒輪具有內(nèi)置的單向軸承，單向軸承的較大齒輪，軸和內(nèi)部軌道固定在一起，使它們具有相同的旋轉(zhuǎn)角速度。 中間較小的齒輪與發(fā)電機(jī)同軸。當(dāng)電纜接近單向齒輪單元時(shí)，齒條向左上方移動(dòng)，較大的齒輪及其連接軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而較小的齒輪及其連接軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 由于單向軸承不能順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，中檔順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而傳遞扭矩。

1.2.2 Y形機(jī)架單元

Y形機(jī)架單元如圖2所示。 電纜被安裝成垂直于圓圈的平面，并通過圓圈中心；三個(gè)單向齒輪單元在圓圈的同一外圍以 120°的角度均勻分布。三套單向齒輪單元電纜脫離單向齒輪單元。與三個(gè)平行平面上的機(jī)架嚙合，確保三組在移動(dòng)時(shí)不相互干擾。

1.3 能量轉(zhuǎn)換模塊

利用發(fā)電機(jī)的電磁效應(yīng)，能量轉(zhuǎn)換模塊將機(jī)械能從齒輪的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為電能。 商用發(fā)電機(jī)主要有三種：（1）交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；（2）直流刷電機(jī)；（3）直流無刷電機(jī)。 直流電刷電機(jī)使用壽命短，因?yàn)樗鼈兊奶妓⒑蛽Q向器產(chǎn)生火花和碳?jí)m，當(dāng)它們旋轉(zhuǎn)時(shí)，這些火花和碳?jí)m很容易對它們的部件造成損壞。 直流無刷電機(jī)容易產(chǎn)生共振，因?yàn)楫?dāng)它們以低速啟動(dòng)時(shí)會(huì)有輕微的振動(dòng)。 選擇了一種交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗褂脡勖L；在穩(wěn)定的直流電壓下的輸出可以通過附加電路的改變來實(shí)現(xiàn)。

1.4 儲(chǔ)能模塊

系統(tǒng)輸入的振動(dòng)能量是不確定的，以收放纜的速度而變化，振動(dòng)產(chǎn)生的電壓也隨之變化。 發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓不能直接存儲(chǔ)起來，直到整流、平滑和穩(wěn)定后變成直流穩(wěn)態(tài)，才能實(shí)現(xiàn)其采集。 其中，所述穩(wěn)壓電路為基于 LM317三端的恒壓限流充電電路，選擇一個(gè)超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能電容器。由于電壓仍然波動(dòng)，雖然經(jīng)過整流、平滑和穩(wěn)定后變化較小，超級(jí)電容器也可以很好地適應(yīng)；此外，電容器具有各種優(yōu)點(diǎn)，如高功率密度、短的充放電時(shí)間和長的循環(huán)壽命。

2 建模分析

2.1 發(fā)電機(jī)電磁阻尼的計(jì)算

交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流后變成直流電。交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生三相交流電壓。每個(gè)階段之間有120°差異，其計(jì)算公式如下：

其中：PE為交流發(fā)電機(jī)功率；Poutput為外部負(fù)載的電功率；Plost為三相內(nèi)阻消耗的電能；Re為可控外部電阻；Ri為發(fā)電機(jī)各相內(nèi)阻； Em為相電壓幅值；Ke為由產(chǎn)生的電壓之間的比例常數(shù)交流發(fā)電機(jī)及其轉(zhuǎn)速；wg為交流發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度；Ce為交流發(fā)電機(jī)的電磁阻尼。

2.2 單向齒輪單元的輸入扭矩

當(dāng)電纜接近單向齒輪單元時(shí)，嚙合傳動(dòng)路徑為齒輪，其輸入扭矩為：

其中： Tr齒條施加在較大齒輪2上的等效扭矩，該值是齒條和齒條之間作用力Fr乘積較大齒輪和較大齒輪2的半徑；Ji為齒輪i的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，i=1、2、3、4；α（t）為齒輪2的旋轉(zhuǎn)角度；Cr為齒條與齒輪2之間的嚙合阻尼； Z5、Z2為齒輪 5 和 2 上的齒數(shù)；Cm1為齒輪1和2之間的嚙合阻尼； Cm5為齒輪3和5之間的嚙合阻尼；T3為作用在齒輪3上的扭矩。

當(dāng)電纜脫離單向齒輪單元時(shí)，嚙合傳動(dòng)路徑為齒輪T2→T4→T5。 由于結(jié)構(gòu)的對稱性，齒條對較大齒輪T2施加的等效扭矩等于 Tr，計(jì)算公式為：

P輸入為單向齒輪單元的輸入能量； mr為架子的質(zhì)量；R為齒輪的參考圓半徑；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

輸入產(chǎn)出模擬振幅分別為5 cm和10 cm，頻率為3 Hz，P輸入和P輸出曲線顯示，如圖3所示。

圖3 單向齒輪單元輸入輸出功率曲線

2.3 單向齒輪單元阻尼力的仿真與分析

齒輪裝置振動(dòng)頻率和振幅（2Hz，5cm）、（2Hz，10cm）、（2Hz，15cm）和（4Hz，5cm）進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖4所示。

圖4 單向齒輪單元在不同激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

2.4 機(jī)架單元布局的選擇與分析

通過比較幾種不同齒輪齒條布局的效率，根據(jù)較少的單向齒輪單元用于實(shí)現(xiàn)齒輪單元獲得的最大平均能量的原則，選擇了合適的齒 條單元布局。 考慮到單元加工和制造的難度和成本，應(yīng)使用最小可能數(shù)量的齒輪齒條單元。 這里選擇了四個(gè)典型的機(jī)架單元布局，如圖5所示。

圖5 四個(gè)機(jī)架單元布局

在相同的振動(dòng)下，Y形布局所獲得的能量是直角布局收獲的1.5倍；因此單向齒輪單元獲得的平均能量是相同的。從單元布局來看，Y形和直角布局具有相同的能量收集效率。 然而，與直角布局相比，Y形布局具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此，綜合考慮，選擇了Y形機(jī)架單元。Y型機(jī)架單元具有較高的能量收集效率，比傳統(tǒng)齒輪和機(jī)架具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。它將隨機(jī)的電纜振動(dòng)轉(zhuǎn)化為齒輪和機(jī)架的相對運(yùn)動(dòng)，并且沒有過度冗余結(jié)構(gòu)，它也保證收獲的效率和穩(wěn)定性，如圖6所示。

圖6 齒輪齒條平衡網(wǎng)點(diǎn)

在輸入振幅為15 cm，頻率為2 Hz、θ=60°的振動(dòng)情況下，傳統(tǒng)布局和Y形布局在能量收集效率方面進(jìn)行了比較，如圖7和圖8所示，具有相同的特點(diǎn)，實(shí)際能量收集效率η=P/Pn= 0.55%。

圖7 振動(dòng)性能對比

圖8 能量變化對比

3 結(jié)語

本研究提出了一種有效的電磁能量收集裝置，該裝置存儲(chǔ)從電纜振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換的電能。該裝置采用超級(jí)電容器作為供電電源，該裝置由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和電能存儲(chǔ)系統(tǒng)組成。 由于對電纜不確定運(yùn)動(dòng)方向的良好適應(yīng)，Y形布局可以將Y形機(jī)構(gòu)平面上的隨機(jī)振動(dòng)轉(zhuǎn)換為齒輪齒條嚙合旋轉(zhuǎn)。 然后，齒輪通過單向軸承放大嚙合旋轉(zhuǎn)的振動(dòng)，將雙向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為 單向旋轉(zhuǎn)，提高了電能轉(zhuǎn)換效率。 選擇超級(jí)電容器進(jìn)行儲(chǔ)能，以響應(yīng)快速變化的瞬態(tài)電流， 并向外部負(fù)載提供穩(wěn)定的電源。 通過MATLAB仿真對該裝置進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)，其運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換效率明顯高于傳統(tǒng)的單向能量收集裝置。 這證明了馬鞍形電纜盤動(dòng)力裝置所提出的電磁能量收集系統(tǒng)在獲取可再生能源時(shí)，提高了能源的利用率。