[发明专利]用于城市轨道交通桥梁健康监测的电磁式振动能量收集器

说明书

本发明公开了一种用于城市轨道交通桥梁健康监测的电磁式振动能量收集器，包括：壳体以及置于壳体内的弹簧组件、质量块、线圈和两块永磁铁，两块永磁铁异极相对设置，弹簧组件设置在两块永磁铁之间，弹簧组件的上端安装线圈，质量块设置在线圈内，质量块的质量、弹簧组件的总刚度和能量收集器的固有频率三者之间满足以下关系式：f＝(k/4mπ²)^1/2，其中，m为质量块的质量，单位为kg；k为弹簧组件的总刚度，单位为kN/m；f为能量收集器的固有频率，其值为5‑6，单位为Hz。该电磁式振动能量收集器应用于城市轨道交通桥梁健康监测时电能储存效率高、输出功率高、功率产出密度高。

技术领域

本发明涉及桥梁健康监测的自供电技术领域，具体涉及一种用于城市轨道交通桥梁健康监测的电磁式振动能量收集器。

背景技术

节段预制拼装桥梁(SPA桥梁)作为一种快速施工桥梁，在城市轨道交通高架线中的应用已经越来越广泛。与传统现浇法施工的桥梁相比，SPA桥梁具有绿色、节能、高效的优点，但是由于其拼接缝的存在，节段预制拼装桥梁的截面刚度和使用耐久性一直是被关注的重点。为确保桥梁的正常运营，对桥梁进行长期健康监测是非常必要的。桥梁健康监测需要在桥上布置或埋设元器件，如何为这些预埋元器件提供持续和稳定的能源供给是重要的研究目标。

基于以上背景，国内外有一种研究趋势是通过收集桥梁环境振动或是结构自身振动的能量，将振动所产生的机械能转化为可使用的电能，给预埋元器件供能。这种供电方式受收集装置的影响，效率参差不齐。根据装置收集原理的不同，收集器主要包括两种类型：压电式能量收集器和电磁式能量收集器。其中，压电式能量收集器对于材料的要求较高，且输出的阻抗大、电流小，目前的报道大多是关于电磁式能量收集器。电磁式能量收集器具有结构简单且输出电流高的优点。电磁振动能量收集器(EM-VEHs)按照法拉第电磁感应定律的原理工作。当通过环路区域的磁通量密度发生变化时，电磁感应能量在闭环线圈中感应出来。一般来说，EM-VEHs由永磁体、线圈和弹簧系统等组成(如图1所示)，由于振动，EM-VEHs中的磁极与线圈之间有相对运动，线圈内感应出电动势，将车辆引起桥梁振动产生的动能转化为桥梁健康监测元器件工作所需的电能。

城市轨道交通高架桥梁上车辆对于桥梁结构的激励引起的振动主要是低频的，一般在2Hz～10Hz之间，现有研究的受低频激励(≤10Hz)的电磁式振动能量收集器其功率输出密度通常不大于50μW/cm³，储电效率低，且大多数处于实验室阶段，装置制作工艺复杂，使城市轨道交通高架桥梁健康监测元器件的自供电成本较高，难以进行推广。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种电磁式振动能量收集器，以解决现有技术中的电磁式振动能量收集器应用于城市轨道交通桥梁健康监测时电能储存效率不高、输出功率低、功率产出密度低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种用于城市轨道交通桥梁健康监测的电磁式振动能量收集器，包括：壳体以及置于壳体内的弹簧组件、质量块、线圈和两块永磁铁，两块永磁铁异极相对设置，弹簧组件、质量块和线圈均设置在两块永磁铁之间，弹簧组件的下端固定在壳体的底板上，其上端安装线圈，质量块设置在线圈内，质量块的质量、弹簧组件的总刚度和能量收集器的固有频率三者之间满足以下关系式：

f＝(k/4mπ²)^1/2

其中，m为质量块的质量，单位为kg；k为弹簧组件的总刚度，单位为kN/m；f为能量收集器的固有频率，其值为5-6，单位为Hz。

进一步的，质量块的质量为1400kg-1600kg，弹簧组件的总刚度为1800kN/m-1808kN/m，两块永磁铁的高度均为0.18m-0.22m，能量收集器静止时线圈的底层中心线距离壳体的底板内侧的高度为0.09m-0.11m。