磁能俘获装置、电源装置和轨道监测装置

技术领域

本公开属于磁能俘获领域，尤其是一种磁能俘获装置、电源装置和轨道监测装置。

背景技术

近年来，随着信息技术的高速发展，物联网、工业互联网、车联网、可穿戴电子设备等技术已经广泛应用于智能制造、智能交通、智慧城市等领域，并将在未来人工智能时代发挥重要作用。此类技术通过大量网络化的无线传感节点，实现物理信息感知、处理、存储和交换。随着传感网络节点数量的增加和分布地域的扩大，无线传感节点的电源供应问题日益凸显。电缆供电方式灵活性差，建设成本高，难以大范围覆盖；电池供电方式虽然布设灵活，成本较低，但是容量和寿命有限，在网络化、大范围监测场景下，电池的频繁更换难以为继。

能量俘获技术将环境和生物的能量，如太阳能、热能、机械能、电磁波等，通过适当的方式转化为电能，为无线传感系统、移动电子设备等提供可持续电源，是解决分布式传感网络、物联网、工业互联网、可穿戴电子器件等面临的电源供应瓶颈的重要手段。

在铁道运输系统领域，电气化铁路环境中，尤其是交流输电线缆和牵引回流流经铁路钢轨都可以产生交变磁场，该磁场能量的俘获可以为铁路轨旁的电子设备、传感器等提供电源，从而避免线缆布设或者电池更换。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种磁能俘获装置、电源装置和轨道监测装置，旨在提高俘获磁能的效率。

为此，本公开首先提供了一种磁能俘获装置，包括：

一对相对设置的磁通聚集板；

多个具有弯曲部位的磁芯，所述磁芯成具有一对开口端，并且多个所述磁芯的开口端首尾串联，位于两端的所述磁芯分别连接一对所述磁通聚集板，磁感线从一磁通聚集板进入所述磁芯后，绕所述磁芯从另一所述磁通聚集板输出。

根据所述的磁能俘获装置，还包括采用磁性材料制作的连接条，所述连接条连接一所述磁芯的开口端和与该磁芯相邻的另一所述磁芯的开口端。

根据所述的磁能俘获装置，所述磁芯的长度方向为不封闭的环形。

根据所述的磁能俘获装置，所述磁芯为“C”字形结构，相邻的所述磁芯通过所述连接条首尾串联。

根据所述的磁能俘获装置，还包括采用非磁性材料制作的垫片，所述垫片设置在所述磁芯之间。

根据所述的磁能俘获装置，所述磁通聚集板、连接条和磁芯采用磁性材料制作。

此外，本公开还提供了一种电源装置，包括感应导线和所述的磁能俘获装置，所述感应导线穿过所述磁能俘获装置的磁芯以向外输出电压。

根据所述的电源装置，所述感应导线为封闭的环形，一侧穿过所述磁芯，另外一侧位于所述磁芯的外侧。

最后，本公开又提供了一种轨道监测装置，包括：

所述的电源装置；

用于监测轨道状态的传感器，所述传感器连接所述电源装置，所述电源装置通过俘获轨道附近空间的变化的磁场为所述传感器供电。

根据所述的轨道监测装置，其特征在于，所述电源装置设置在所述轨道的下方或者侧方，或者所述电源装置设置于无砟轨道的轨道板一侧或者无砟轨道的底座。

相较于现有技术，上述的磁能俘获装置、电源装置和轨道监测装置通过磁通聚集板导引磁感线进入磁芯，经磁芯的导引可以绕感应导线多次，最终从另一磁通聚集板导出，通过多次绕感应导线而能够有效提高对磁场的利用效率，这样，电源装置输出的电压也可以根据磁感线绕感应导线的次数而提高数倍，从而有效提高磁能俘获装置的效率以及提高电源装置的输出功率。

进一步，上述的磁能俘获装置、电源装置和轨道监测装置由于磁芯采用具有开口端的环形结构，通过多个磁芯首尾串联来实现磁感线的导引，这样，磁芯可以制作成相同规格的标准件，从而多个磁芯的组合实现对磁感线的导引，有效降低了磁能俘获装置的生产成本和工艺难度。

附图说明

为了更清楚地说明具体实施方式，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是轨道监测装置的结构示意图。

图2是电源装置的结构示意图。

图3是磁通聚集板、磁芯和感应导线的结构示意图。

图4是磁芯、垫片和连接条的结构示意图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本公开。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本公开进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，所描述的实施方式仅仅是本公开一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本公开中的实施方式，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方式，都属于本公开保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本公开。

在各实施例中，为了便于描述而非限制本公开，本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、"下方"、"左"、"右"等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

图1是轨道监测装置的结构示意图。如图1所示，轨道监测装置包括电源装置20和传感器30。传感器30用于监测轨道10的状态。所述传感器30连接所述电源装置20，所述电源装置20通过俘获轨道10附近空间的变化的磁场为所述传感器30供电，从而可以避免为传感器30供电而额外铺设缆线或者配置电池，解决分布式传感网络、物联网等电子元器件的电源供应瓶颈问题。

本实施方式中，所述电源装置20设置在所述轨道10的下方或者侧方，或者所述电源装置20设置在无砟轨道的轨道板或者无砟轨道的底座上。在电气化铁路供电网络中，铁路供电网络的牵引电流经接触线进入列车后，通过列车车轮流入轨道10，然后在通过钢轨、回流线、大地等路径流出。因此，在列车的供电过程中，轨道10附件的空间会存在丰富的交变磁场，通过电源装置20俘获交变磁场而进行电磁转换输出电压，实现为传感器30供电的目的。

图2是电源装置20的结构示意图。如图2所示，电源装置20包括感应导线25和磁能俘获装置，磁能俘获装置用于俘获空间的交变磁场，所述感应导线25穿过所述磁能俘获装置，对外连接传感器30，通过交变磁场的电磁转换向外输出电压，为传感器30供电。

具体的，磁能俘获装置包括磁通聚集板21、多个磁芯22、垫片23和连接条24。磁通聚集板21和磁芯22用于导引磁感线绕感应导线25传输，垫片23用于隔离相邻的两个磁芯22，连接条24用于连接磁芯22，使得磁芯22形成首尾串联结构。

图3是磁通聚集板21、磁芯22和感应导线25的结构示意图。如图2和图3所示，所述感应导线25采用磁性材料制备，为封闭的环形线圈。环形线圈结构的感应导线25一侧穿过所述磁芯22，另外一侧位于磁芯22外侧。磁感线在磁芯22传输过程中，会多次绕过感应导线25，从而可以提升感应导线25输出的电压和输出功率。

磁通聚集板21采用磁性材料制作，每个磁能俘获装置至少包括一对相对平行设置的磁通聚集板21。磁通聚集板21的形状可以是方形、矩形或者圆形，本领域技术人员可以根据现场安装需要设置合适的形状，也可以通过有限次实验，根据测试需要聚集的磁通量来设置合适的磁通聚集板21的形状和面积。本实施方式中，两个磁通聚集板21分别通过连接杆211电连接首端的磁芯22的开口端221和尾端的磁芯22的开口端221。

图4是磁芯22、垫片23和连接条24的结构示意图。如图2和图4所示，磁芯22采用磁性材料制作，具有可收容感应导线25的弯曲部位。在一些实施方式中，磁芯22大体呈环形结构，例如可以是圆形的环状，也可以是方形的环状结构。环形结构的磁芯22为开放式环形结构，而并非封闭式的环形，每个磁芯22都具有一对相互靠近的开口端221，形成“C”字形结构。磁芯22的横截面可以是圆形的，也可以是方形或者矩形等形状，本申请对此不作限制。

垫片23采用非磁性材料制作，设置在所述磁芯22之间，用于隔离所述磁芯22，防止磁芯22在开口端221之前的区域形成磁连接。本实施方式中，所述垫片23的结构类似于磁芯22，呈开放式环形结构，具有开口，垫片23的开口与磁芯22的开口重合，并且垫片23贴合于磁芯22的侧面。

连接条24采用磁性材料制备，所述连接条24连接所述磁芯22的一开口端221和与该磁芯22相邻的另一所述磁芯22的开口端221，这样，相邻的所述磁芯22通过所述连接条24首尾串联。由于磁芯22和垫片23可以采用统一地标准化定制结构，因此，连接条24对应也可以方便地采用统一的结构，从而可以大规模生产，降低生产成本。具体的，连接条24大体呈空间螺旋状结构，一端电连接磁芯22的开口端221，另外一端连接与该磁芯22相邻的磁芯22的开口端221。这样，多个连接条24之间大体倾斜地平行设置，实现多个所述磁芯22的开口端221首尾串联，而位于两端的所述磁芯22分别连接一对所述磁通聚集板21。在工作时，磁感线从一磁通聚集板21进入位于所述磁芯22后，沿所述磁芯22多次绕感应导线25螺旋延伸，直至从另一所述磁通聚集板21输出。其中，本申请中所述的磁性材料是指能对磁场作出某种方式反应的材料，可以是锰锌铁氧体、硅钢制成。

以下通过仿真计算，验证上述电源装置20的技术效果。

交变磁场可以通过电磁感应原理转化为电能。磁能俘能装置一般具有带有磁芯22的线圈。假设环境中交变磁场强度为Bex，角频率为ω，磁能俘能装置的磁芯22的有效导磁率为μ

B＝μ

当该磁能俘能装置位于磁场环境中时，磁感线经由一磁通聚集板21进入磁芯22并沿磁芯22绕行，然后经过连接条24进入下一个磁芯22，如此反复，最后经由最后一个磁芯22进入另一个磁通聚集板21并回到环境中。在磁感线穿过磁能俘能装置的整个过程中，磁感线穿过线圈n次(n为磁芯22的个数)，因此俘能装置的输出电压Voc将提高n倍，即

Voc＝N*n*ω*B*A

磁能俘获装置的内阻抗可以等效为一个电感L和一个电阻R。在不考虑磁芯22损耗的理想状况下，电阻R主要由感应导线25的电阻构成。这样，磁能俘能装置的最大输出功率P可以计算为：

P＝V

作为示例性的，设置电源装置20的参数为：磁通聚集板21直径100mm，厚度10mm；磁芯22的内径50mm，外径70mm，厚度10mm，共计20个。感应导线25的线圈扎数为4520圈，磁能俘能装置总长为300mm。

将上述电源装置20配置于20μT，50Hz的均匀磁场中，通过Comsol Multiphysics进行仿真计算。磁能俘能装置的输出参数如下：

因此，上述的磁能俘获装置、电源装置20和轨道监测装置通过磁通聚集板21导引磁感线进入磁芯22，经磁芯22的导引可以绕感应导线25多次，最终从另一磁通聚集板21导出，通过多次绕感应导线25而能够有效提高对磁场的利用效率，这样，电源装置20输出的电压也可以根据磁感线绕感应导线25的次数而提高数倍，从而有效提高磁能俘获装置的效率以及提高电源装置20的输出功率。

进一步，上述的磁能俘获装置、电源装置20和轨道监测装置由于磁芯22采用具有开口端221的环形结构，通过多个磁芯22首尾串联来实现磁感线的导引，这样，磁芯22可以制作成相同规格的标准件，从而多个磁芯22的组合实现对磁感线的导引，有效降低了磁能俘获装置的生产成本和工艺难度。

在本公开所提供的几个具体实施方式中，对于本领域技术人员而言，显然本公开不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本公开的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本公开。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本公开的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本公开内。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

以上实施方式仅用以说明本公开的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本公开进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本公开的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本公开的技术方案的精神和范围。