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）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)有放纜裝置放線費力、不靈活，被動傳動、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；擁有獨立的電磁剎車系統(tǒng)，停電可用；動力系統(tǒng)可離合切換，空擋、摩擦、剛性轉(zhuǎn)動三檔可選。馬鞍形電纜盤動力裝置中的新型電磁振動能量收集裝置能夠有效地利用電纜釋放過程中振動的能量，可以有效地解決能源的浪費問題；也為馬鞍形電纜盤的動力裝置能量循環(huán)利用提出一個理想解決方案[1]。

振動能量收集裝置根據(jù)其操作方式可分為三大類，即電磁感應[2–4]、壓電[5]和靜電產(chǎn)生[6-7]。 在三種振動能量收集裝置中，壓電能量收集裝置具有體積小、簡單、功率密度高的特點[8-9]而靜電能量收割機具有較高的功率轉(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。電磁感應能量收集裝置具有發(fā)電效率高，發(fā)電量大的特點[11]，因此，在馬鞍形電纜盤動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能量收集裝置與超級電容器搖擺電纜。電磁能量收集技術(shù)利用電磁感應原理將振動能量轉(zhuǎn)化為電能。電磁振動能量收集裝置根據(jù)其運動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動，通過繞在磁體外部的線圈引起磁通的變化。 Delnavaz等人設(shè)計了一種線性電磁振動能量收集裝置，在呼吸過程中收獲能量。在模擬人體呼吸時，當磁鐵固定在導管末端時，能量收集效率達到最大值；該裝置提供25mV 的感應電壓輸出，輸出功率為 3.1μW[12]。 旋轉(zhuǎn)電磁能量收集技術(shù)將能量通過往復直線振動運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，并通過發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)最終完成發(fā)電；該技術(shù)主要用于獲得振動頻率低、振幅大的振動能。 美國密歇根大學設(shè)計了一種電磁低頻振動能量收集裝置，該裝置利用頻率放大技術(shù)，將采集到的低頻振動能量轉(zhuǎn)化為高頻振動能量，然后轉(zhuǎn)化為電能[13]。S.G.Burrow等人利用磁通集中器設(shè)計了一種振動能量收集裝置[14]。 在英國南安普敦大學設(shè)計的一種結(jié)構(gòu)中，一對Nd-Fe-B永磁體被放置在馬蹄形鐵芯上，懸臂的振動導致磁通的變化以完成能量收集[15]。2001年英國謝菲爾德大學制造的電磁微型發(fā)電機只有尺寸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利用FR4材料和印刷電路板技術(shù)制作了線圈振動式電磁振動能量收集裝置[17]。 左等人設(shè)計了一種振動能量收集裝置，用于將車輛的振動轉(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轉(zhuǎn)化為交流電機的旋轉(zhuǎn)運動，并提供高達194V的輸出電壓[19]。 張祖濤還設(shè)計了一種用于電動汽車阻尼系統(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)計了一種鐵路能量收集系統(tǒng)，將軌道的動能轉(zhuǎn)化為電能，為偏遠地區(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，用于橋式斜拉索，既實現(xiàn)了減振功能，又實現(xiàn)了能量收集功能。Palomera-Arias等人（2008）研究了用于民用振動控制的線性運動EMD結(jié)構(gòu)[23]。 在上述機制中，電磁感應是一種很有前途的機制，可以很好地服務于振動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)仍然面臨兩個主要挑戰(zhàn)：（1）有效地捕獲任意隨機振動能量；（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)的振動不同，電纜的振動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；這兩種運動的耦合產(chǎn)生了運動中多方向和隨機的振動。 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振動轉(zhuǎn)化為齒輪的單向旋轉(zhuǎn)運動，從而驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。 選擇超級電容器作為存儲電容器，其優(yōu)點是功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬，以及更好地適應電壓急劇變化的電能和日溫波動較大的室外環(huán)境。

1 系統(tǒng)設(shè)計

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

圖1 振動能量的輸入

1.1 振動能量輸入模塊

電纜被認為是近似于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，固定在兩端，電纜的振動能主要來源于馬鞍形電纜盤在收纜過程中，在動力裝置的驅(qū)動下電纜盤轉(zhuǎn)動，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動，這兩種運動的耦合振動成為獲得振動能量的主要來源。

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形機架單元兩部分，如圖2所示的由Y形機架單元和單向齒輪單元組成的傳輸模塊，將電纜的隨機振動轉(zhuǎn)換為單向旋轉(zhuǎn)。

圖2 Y形機架單元

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)電機同軸。當電纜接近單向齒輪單元時，齒條向左上方移動，較大的齒輪及其連接軸順時針旋轉(zhuǎn)，而較小的齒輪及其連接軸逆時針旋轉(zhuǎn)。 由于單向軸承不能順時針旋轉(zhuǎn)，中檔順時針旋轉(zhuǎn)，從而傳遞扭矩。

1.2.2 Y形機架單元

Y形機架單元如圖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。與三個平行平面上的機架嚙合，確保三組在移動時不相互干擾。

1.3 能量轉(zhuǎn)換模塊

利用發(fā)電機的電磁效應，能量轉(zhuǎn)換模塊將機械能從齒輪的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為電能。 商用發(fā)電機主要有三種：（1）交流感應電動機；（2）直流刷電機；（3）直流無刷電機。 直流電刷電機使用壽命短，因為它們的碳刷和換向器產(chǎn)生火花和碳塵，當它們旋轉(zhuǎn)時，這些火花和碳塵很容易對它們的部件造成損壞。 直流無刷電機容易產(chǎn)生共振，因為當它們以低速啟動時會有輕微的振動。 選擇了一種交流感應電動機，因為它使用壽命長；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現(xiàn)。

1.4 儲能模塊

系統(tǒng)輸入的振動能量是不確定的，以收放纜的速度而變化，振動產(chǎn)生的電壓也隨之變化。 發(fā)電機產(chǎn)生的電壓不能直接存儲起來，直到整流、平滑和穩(wěn)定后變成直流穩(wěn)態(tài)，才能實現(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，選擇一個超級電容器作為儲能電容器。由于電壓仍然波動，雖然經(jīng)過整流、平滑和穩(wěn)定后變化較小，超級電容器也可以很好地適應；此外，電容器具有各種優(yōu)點，如高功率密度、短的充放電時間和長的循環(huán)壽命。

2 建模分析

2.1 發(fā)電機電磁阻尼的計算

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

其中：PE為交流發(fā)電機功率；Poutput為外部負載的電功率；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)電機及其轉(zhuǎn)速；wg為交流發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)角速度；Ce為交流發(fā)電機的電磁阻尼。

2.2 單向齒輪單元的輸入扭矩

當電纜接近單向齒輪單元時，嚙合傳動路徑為齒輪，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。

當電纜脫離單向齒輪單元時，嚙合傳動路徑為齒輪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

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

圖4 單向齒輪單元在不同激勵下的動態(tài)響應

2.4 機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，應使用最小可能數(shù)量的齒輪齒條單元。 這里選擇了四個典型的機架單元布局，如圖5所示。

圖5 四個機架單元布局

在相同的振動下，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形機架單元。Y型機架單元具有較高的能量收集效率，比傳統(tǒng)齒輪和機架具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。它將隨機的電纜振動轉(zhuǎn)化為齒輪和機架的相對運動，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

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

圖7 振動性能對比

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，該裝置存儲從電纜振動能量轉(zhuǎn)換的電能。該裝置采用超級電容器作為供電電源，該裝置由機械傳動系統(tǒng)和電能存儲系統(tǒng)組成。 由于對電纜不確定運動方向的良好適應，Y形布局可以將Y形機構(gòu)平面上的隨機振動轉(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，將雙向運動轉(zhuǎn)化為 單向旋轉(zhuǎn)，提高了電能轉(zhuǎn)換效率。 選擇超級電容器進行儲能，以響應快速變化的瞬態(tài)電流， 并向外部負載提供穩(wěn)定的電源。 通過MATLAB仿真對該裝置進行了初步評價，其運動轉(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，提高了能源的利用率。