能量采集及结合能量采集的铁轨监测装置

1.本发明涉及能量采集，具体地，涉及从电气化铁路网络的铁轨采集磁场能量。本发明还涉及结合这种能量采集方案的监测装置。


背景技术：

2.铁路网络越来越多地使用电力机车而不是柴油和其它燃料。电力通常使用架空电缆来供应，与之相关联的机车和/或车厢(为方便起见，本文中称为列车)设置有支撑与架空电缆接触的集电器的适当受电弓装置。回路连接通常经由列车车轮和列车在其上运行的铁轨来进行。虽然使用架空电缆是相当普遍的，但是包括通过供应电力的第三轨道等其他方案也是已知的。
3.铁路网络通常包括需要电源的多个轨道侧电气设备。以示例的方式，通常包括一系列监测铁轨状况的传感器。通过监测铁轨的状况，可增强维护并减少由意外故障引起的中断。虽然使用到供电网络的连接或者使用电池、太阳能电池板等是可能的，但是需要提供其他供电方案来允许向这样的设备供应电力，并且本发明的目的是提供这样的装置以及包括这种方案的监测装置。


技术实现要素：

4.根据本发明，提供了一种用于从铁路网络的铁轨形式的源采集磁场能量的能量采集装置，该能量采集装置包括接近铁轨布置的能量采集器或电连接到铁轨的部件，并且该能量采集器经由功率管理电路电连接到电存储设备。
5.在一个实施例中，能量采集器包括第一通量收集器和第二通量收集器，其在使用中定位为邻近铁轨的底脚的相对侧，使得铁轨的底脚至少部分地侧向位于第一通量收集器与第二通量收集器之间，第一通量收集器和第二通量收集器通过杆互连，该杆由线圈缠绕并且在铁轨下方延伸，线圈的导体经由功率管理电路电连接到电存储设备，其中，第一通量收集器和第二通量收集器以及杆是磁性材料。
6.在一个实施例中，能量采集器包括接近回线布置的线圈，回线：从铁轨连接到位于铁轨旁边的升压变压器；或者从铁轨连接到地，并且线圈经由功率管理电路电连接到电存储设备。优选地，线圈被布置为围绕回线。
7.当交流电在铁轨中流动时，由于趋肤效应，电流将集中在铁轨轮廓的表面处和邻近其拐角。为了使可以采集的磁场能量的量最大化，将期望采集装置环绕铁轨。然而，这将阻止列车在铁轨上运行。通过提供由在铁轨下方延伸的杆连接的、位于铁轨的相对侧的第一通量收集器和第二通量收集器，可以采集高水平的磁场能量而不妨碍列车沿着铁轨的通过。由于趋肤效应，在铁轨的拐角处和铁轨的底脚处的磁通量密度较高，因此，尽管可以采集的能量水平低于铁轨将被采集装置环绕的情况，但可以实现良好的能量采集水平。
8.通量收集器优选地具有大致平面的形式，并且方便地定位为靠近铁轨但不与铁轨接触。
9.本发明还涉及一种用于监测铁轨状况的铁轨监测装置，该铁轨监测装置包括：如上文所述的能量采集装置；传感器，其可操作为监测与铁轨相关联的状况参数，该传感器被布置为从电存储设备供电；传输装置，通过该传输装置，使用传感器获取的数据可被传输到远程位置；以及控制器，其可操作为控制传感器和传输装置的操作。
10.应当理解，当列车在安装能量采集装置所邻近的铁轨的部分上运行时，由能量采集装置生成的电输出处于其最高水平。传感器信息最有用的时刻也是机车接近和通过铁轨时。电存储设备方便地包括至少第一能量存储器和第二能量存储器，并且控制器包括功率管理功能，其可操作为将一个能量存储器连接到线圈，并且将另一个能量存储器连接到传感器和传输装置。这样，避免了一个能量存储器的同时充电和放电，并且可以确保传感器和传输装置可以在列车到达之前被供电。控制器方便地将具有最高电荷水平的能量存储器连接到传感器和传输装置，并且将具有最低电荷水平的能量存储器连接到线圈。通常，这样，能量存储器将依次连接到传感器和传输装置。
11.该装置优选地还包括可操作为检测列车接近的传感器。以示例的方式，传感器可以包括压电传感器、麦克风或振动传感器。在检测到接近的列车时，控制器给传感器和传输装置加电，以允许传感器信息被记录并传输到远程位置。传感器信息优选地经由蓝牙通信链路(其中需要相对短的距离上的传输)或lora(其中需要更大的距离上的传输)传输到形成远程位置的通信集线器。
附图说明
12.将通过示例的方式参考附图来进一步描述本发明，附图中：
13.图1是根据本发明的实施例的能量采集装置的图示；
14.图1a和图1b是例示了替代实施例的视图；
15.图2是比较磁场能量采集器的三种设计的性能的一系列曲线图，其中(a)比较开路通量密度b
oc
；(b)比较有效磁导率μe；(c)比较线圈电感lc；(d)比较开路电压v
oc
；(e)比较线圈电阻rc；(f)比较功率输出；
16.图3例示了当线圈以i
c0
＝0.01a通电并且轨道不通电时的感应电流密度(单位a/m2)，其中(a)示出了设计1，(b)示出了设计2，(c)示出了设计3，并且对于所有三种设计，μr＝2000；
17.图4例示了磁芯长度l对性能的影响，其中(a)示出了线圈电感和开路磁通量密度，(b)示出了线圈电阻和功率；
18.图5例示了通量收集器的尺寸对采集器的功率输出的影响；
19.图6例示了当线圈匝的数量固定在10000时线圈长度lc对(a)开路电压和磁通量密度以及(b)采集器的功率输出和线圈电阻的影响；
20.图7例示了在线圈参数研究中线圈长度lc对通量密度和涡流密度的影响，在该研究中，线圈以i
c0
＝0.01a通电，并且轨道不通电；
21.图8例示了线圈匝的数量和磁芯的相对磁导率对(a)开路电压v
oc
、(b)线圈电阻rc、(c)功率输出和(d)通量密度b的影响；
22.图9例示了当采集器连接到最佳负载电阻时采集器的功率输出相对于磁芯中间的平均通量密度b的关系；
23.图10例示了磁杆的横截面积对(a)线圈电阻rc和开路电压v
oc
、(b)磁杆中间的功率输出和磁通量密度的影响；
24.图11例示了测量的和模拟的(a)开路电压v
oc
和通量密度b
oc
、(b)平均功率和通量密度b、(c)跨负载电阻的电压振幅、(d)线圈中的并且通过负载电阻的电流振幅的比较；
25.图12例示了当ir＝300a和r
l
＝77ω时的模拟通量密度。磁芯中间的平均通量密度为0.35t，但在拐角处观察到更高的通量密度；
26.图13例示了距离铁轨dc＝48mm的采集器的特性：当(a)ir＝100a和(b)ir＝520a时负载电阻r
l
对功率和通量密度b的影响；跨r
l
的电压(c)在r＝77ω时对ir以及(d)在ir＝520a时对负载电阻r
l
的依赖性；
27.图14例示了放置在距铁轨轨道不同距离处的采集器的性能：(a)开路电压；当(b)dc＝95mm和(c)dc＝190mm时的功率输出和通量密度；
28.图15和图16是根据本发明的另一实施例并且并入图1的能量采集装置的铁轨监测装置的图示；
29.图17示出了与本发明的实施例相关联的铁轨轨道装置；
30.图18示出了与本发明的实施例有关的能量采集器的构造；以及
31.图19和图20示出了由图17的实施例采集的平均功率的模拟图。
具体实施方式
32.首先参考图1，例示了能量采集装置10。能量采集装置10适用于当交流电在铁轨12内通过时采集出现在铁路网络的铁轨12附近的磁场能量，该电流包括供应给在铁轨12上行驶的列车并用于驱动列车移动的电流的返回路径。以示例的方式，列车可以使用25kv ac电源驱动，并且电流可以在几百到超过1000a的范围内，但是这些参数值将取决于铁路网络或系统。
33.如图例示，典型的铁轨12包括底脚14、头部16和将底脚14和头部16互连的连接腹板18。头部16是铁轨12的一部分，列车的车轮在该部分上运行，其中车轮的凸缘定位为邻近头部16的一侧。底脚14通常具有比头部16更大的宽度，并且被螺栓连接或以其它方式固定到位于道碴上的枕木等，使得铁轨12以直立状态支撑。
34.由于趋肤效应，在铁轨12内的交流电的流动主要在铁轨12的表面处和邻近该表面。已经发现，电流集中在底脚14的最外部，邻近底脚14的下表面，并且邻近头部16的表面。交流电引起在邻近铁轨12的这些部分存在变化的磁场。
35.如图1所示，采集装置10包括借助于磁杆24彼此互连的第一通量收集器20和第二通量收集器22。第一通量收集器20和第二通量收集器22分别为大体上正方形或矩形形状，并且定位为邻近铁轨12的相对侧，使得铁轨12的底脚14位于第一通量收集器20与第二通量收集器22之间。在所示的装置中，杆24大体为圆柱形式(但应理解，本发明并不局限于此，并且可以使用包括例如正方形截面的其它形状)，并在铁轨12下方延伸，例如在相邻枕木之间的位置处。杆24以及第一通量收集器20和第二通量收集器22是磁性材料的。
36.线圈26缠绕在杆24周围。
37.在使用中，当列车经过并沿着铁轨12行进并且返回电流进入并沿着铁轨12流动时，在铁轨12中产生的变化电流引起变化的磁场，该磁场由第一通量收集器20和第二通量
收集器22以及杆24采集，并且在线圈26的导体26a内感应出电流。第一通量收集器20和第二通量收集器22的大尺寸以及它们与铁轨12的接近将磁场的增加的部分从铁轨12引导到杆24中以在线圈26中感应电流。
38.由于第一通量收集器20和第二通量收集器22邻近底脚14的端部定位并因此定位在磁通量密度高的位置，并且杆24邻近通量密度也相对高的底脚14的下表面延伸，因此应当理解，使用采集装置可以采集相对高水平的电能。在所示的装置中，第一通量收集器20和第二通量收集器22与底脚14的端部之间的间距为至少200mm。较长的杆24导致通量收集器20、22位于较弱的磁场的区域中，但是也导致较高的有效磁导率和较低的涡流损耗，这有助于实现高能量输出。然而，杆24的长度预期受到邻近铁路轨道定位的部件的允许尺寸和体积的限制。在杆24的长度受到限制的情况下，可能期望增加通量收集器20、22的尺寸以维持可接受的高输出。
39.虽然图1例示了其中通量收集器20、22具有大体矩形的、大致平面的形式的采集装置，但是情况不一定总是如此，并且可以使用其他形状的通量收集器。以示例的方式，如图1a所示，通量收集器20、22可以成形为大致遵循铁轨12的相邻部分的轮廓。然而，已经发现，这种装置的性能不如包括图1所示的简单矩形平面通量收集器20、22的装置。
40.线圈26的导体26a经由合适的引线电连接到例如电池装置或电容器装置形式的电存储设备28。
41.已经评估了用于通量收集器20、22的上述设计的特性以及没有通量收集器与杆24的端部相关联的装置。在以下讨论中，设计1是在杆24的端部处未设置通量收集器的装置，设计2是图1a所示类型的装置，其中通量收集器20、22成形为大体与铁轨12的轮廓一致，并且设计3是图1所示类型的装置，具有大体平面的通量收集器20、22。在这三种设计中，杆24具有直径d＝20mm和长度1＝160mm，线圈26具有长度lc＝100mm、线圈匝的数量n＝15000和线圈导线的直径dw＝0.2mm。线圈的内径di与d相同。设计2和设计3中的通量收集器20、22具有相同的高度h＝150mm、厚度t＝5mm和深度w＝100mm。
42.在图2a中，相对于磁芯材料的相对磁导率μr，呈现了杆中间的开路通量密度b
oc
。当μr＝1(即外部磁场b
ex
没有被增强)时，所有三种设计的b
oc
都是5.59
×
10-4
t。随着μr增加，b
oc
升高。设计2和3都示出比设计1高得多的b
oc
。当μr＝2000时，设计1、2和3的b
oc
分别为0.029t、0.21t和0.17t。通量收集器20、22将更多的通量线引导到由杆24限定的磁芯中，导致设计2和3中的通量密度比设计1中的更高。替代性地，可以将其解释为当使用通量收集器时退磁因子d的减小。μe与d之间的关系可近似为
43.μe≈μr/(1+d(μ
r-1))
44.其表明由于退磁因子，当μr＞1时，μe总是小于μr，这可以通过图2b中呈现的μe相对于μr的曲线图来验证。μe通过b
oc
与b
ex
的比计算。而且，当μr足够大时，μe在1/d饱和，这反过来导致图2a中b
oc
的饱和。显然，设计2在三种设计中具有最高的有效磁导率。
45.所有三种设计的线圈电感和开路电压遵循与μe相同的趋势，因为它们与μe成线性比例。图2e中呈现的rc随μr的增加是铁轨轨道中的涡流损耗的结果。在线圈通电但铁轨轨道未通电的线圈参数模拟中，发现在轨道上生成了涡流。设计2具有覆盖最大面积的最高涡流密度，接着是设计3和设计1，如图3所示。在下表1中呈现了μr＝2000时的模拟功率损耗p
ed
和线圈电阻rc。模拟中的功率损耗p
ed
被计算为跨铁轨轨道的电损耗密度的体积积分。设计2具
有最高的功率损耗，导致最高的rc。计算r
ed
并与表1中的r
c-rw比较，其中对于所有三种设计，rw为0.65kω。
46.如图2f所示，三种设计的功率输出随着μr的增加而饱和。设计2和设计3都示出比设计1高得多的功率输出，从而验证了通量收集器的益处。当μr＝2000时，设计1、设计2和设计3的功率输出分别为0.16w、0.92w和1.30w。尽管设计3具有比设计2更低的有效磁导率、通量密度和开路电压，但其功率输出高41.3％，因为其感应更低的涡流损耗，并因此具有更低的内阻。因此，更高的有效磁导率并不总是导致更高的功率输出。基于功率输出，选择设计3用于该研究的剩余部分以供进一步研究。
47.表1：i
c0
＝0.01a的线圈参数研究中的模拟线圈损耗
[0048][0049]
在磁芯形状的优化之后，对设计3执行模拟，其中μr＝2000、lc＝100mm且n＝15000，以研究磁芯尺寸对输出的影响。图4示出了能量采集器相对于磁芯长度l的性能。当l从150mm增加到1150mm时，通量密度b
oc
和电压v
oc
首先降低，然后增加。当l增大时，一方面，磁通量收集器被放置得更远离铁轨轨道并且因此处于更弱的磁场中，从而导致被引导到磁芯中的通量线的数量减少以及b
oc
减小；另一方面，磁芯的退磁因子通常随着比率l/d增加而变小，从而导致有效磁导率增加。线圈电阻随着l逐渐减小，然后达到平稳状态，如图4b所示。这表明当通量收集器远离铁轨轨道放置时，产生更低的涡流损耗。由于线圈电阻的减小，生成的功率随着磁芯长度单调增加。因此，较长的磁芯对于较高的发电是优选的。
[0050]
通量收集器20、22的尺寸通过开路电压和线圈电阻影响功率输出，类似于芯长度。为了简明起见，在图5中仅呈现了这些参数对功率输出的影响，图5示出了任何尺寸的增加都导致功率输出的增加。结合图4和图5中的结果，可以得出结论：通过增加杆24的长度和通量收集器20、22的尺寸，可以增加采集器的功率输出。因此，最佳尺寸是例如安装空间、设备重量和成本的实际约束所允许的最大值，并且已经发现分别为210、100、100和5mm的l、h、w和t的值实现了良好的结果。
[0051]
线圈长度lc对采集器的性能的影响在图6中呈现。在所有情况下，按照下式，通过改变外径do，匝的数量n保持恒定在10000：
[0052]
n＝(lc(d
o-di))/(2d
w2
)
[0053]
开路通量密度b
oc
不随lc改变，因为b
oc
仅与磁芯和外部磁场相关。它不依赖于线圈的几何形状。尽管n是恒定的，但是开路电压随着lc而略微降低，因为磁杆中的通量密度沿着其长度不是严格均匀的—其在中间最高。在lc较小的情况下，线圈集中在杆的中间，从而导致较高的emf。
[0054]
由于线圈电阻rc从1.63kω降到1.18kω，功率输出从1.20w增加到1.50w。当lc增加时，相同的匝数量需要更小的do。这导致线圈中总导线长度的减小，因此导致导线电阻rw减小。然而，当lc从50mm增加到200mm时，rw仅从0.47kω减小到0.37kω。因此，rw的降低不是rc降低的主要原因。rc降低的主要因素是涡流损耗。图6示出了在线圈以i
c0
＝0.01a通电而轨道不通电的线圈参数研究中的通量密度和涡流密度。在相同的线圈电流的情况下，较短的线圈产生覆盖杆芯中的较短距离的较高的通量密度。因此，较短的线圈在轨道上感应较高的涡流密度。lc＝50mm、100mm和200mm的模拟功率损耗p
ed
分别是0.054w、0.052w和0.038w，导致1.55kω、1.45kω和1.14kω的r
ed
。因此，随着lc增加，涡流损耗和r
ed
减小，导致rc减小。基于这些结果，线圈应当总是尽可能长地缠绕。
[0055]
图8示出了当lc固定在200mm时匝层的数量n2和磁芯的相对磁导率μr对采集器的性能的影响。开路电压(图8a)随n线性增加。线圈电阻(图8b)随n快速增加，因为导线电阻和涡流损耗都增加。功率输出(图8c)首先随n迅速增加，然后逐渐变平。当n从20增加到60时，最大功率仅从1.8w增加到2.0w。这是因为随着更多匝被添加到线圈，增加的线圈电阻逐渐遮蔽开路电压的增加，最终导致很小的功率增加。
[0056]voc
、rc和p随n的变化模式几乎与μr无关。在各个n时，v
oc
、rc和p的值最终由于有效磁导率的饱和而随着μr饱和。当μr＞2000时，μr的增加几乎不增加功率输出。基于功率输出特性，匝的数量n选择为20000，磁芯的相对磁导率μr选择为2000。
[0057]
磁芯中间的平均通量密度b示出与功率输出相同的模式，如图8d所示。结合图8c和图8d，可以看出，通过μr和n2的不同组合可以实现相同的功率输出，但是产生的b是相同的。例如，1.2w的功率输出可以通过三种配置获得：(a)μc＝2000和n＝5000；(b)μc＝500和n＝10000；(c)μc＝250和n＝30000。三种配置的b的值均为0.5t。这是因为线圈电感被电容器调谐出，并且在所有情况下负载电阻r
l
＝rc《《ωlc。因此，p与b之间的比率与n和μc无关，这可以通过相对于图8d中的对应b绘制图8c中的功率来进一步验证，如图9所示。p与b之间有明显的线性关系。
[0058]
在n＝20000和μr＝2000的情况下，磁芯中的通量密度b是0.7t，其高于mnzn铁氧体的通常磁饱和极限(0.4-0.5t)。一种减小磁芯中的通量密度的方式是通过增大磁杆的直径d来增大磁杆的横截面积ae。ae对采集器性能的影响在图10中示出。开路电压v
oc
随ae增加，但是v
oc
与ae之间的关系不是线性的。这是因为随着杆的直径增加，其有效磁导率μe降低。rc的增加主要是由于涡流损耗的增加。作为v
oc
和rc变化的结果，功率输出随ae稍微减小。通量密度b随ae降低。在ae≥490mm2(d≥25mm)后，磁芯中的通量密度小于0.5t。因此磁芯所需的最小磁杆为25mm。
[0059]
基于设计优化和可用的材料，制作了能量采集器的原型，其中磁杆24由mnzn铁氧体pc40(d＝31.5mm和l＝230mm)制成，其初始磁导率为2300，饱和极限为0.51t。所选择的线圈几何形状为n＝20000，导线直径dw＝0.2mm。为了降低负载电阻上的电压输出，将导线直径增加到0.5mm。当线圈的体积相同时，导线的直径影响电压和电流分布，但不改变功率输出。线圈被设计为具有3200匝0.5mm铜线，就线圈体积和发电而言相当于20000匝0.2mm铜线。由于匝之间的间隙，制造的线圈具有2798匝。外径do和线圈长度lc分别为40mm和200mm。通量收集器22、24由mnzn铁氧体板(100
×
100
×
6mm3，fpl100/100/6-bh1t，kemet)制成，其初始磁导率为3000，饱和极限为0.52t。磁杆24和板22、24通过环氧粘合剂胶合在一起。
[0060]
然后进行测试以评估采集器的性能。在测试期间，将采集器放置在一段铁轨轨道12(1m长)下方。当测量线圈电阻和电感时，将采集器的线圈连接到频率响应分析仪(psm1700，newton 4th)。频率响应分析仪以50hz、1v的电压使线圈通电，并基于所测量的线
圈中的电压和电流来计算线圈电阻和电感。
[0061]
在功率输出测量之前，将具有0.1μf和1.2μf电容的多层陶瓷电容器的组合串联连接到线圈。改变电容器的组合，直到线圈和电容器的总阻抗的虚部被最小化。然后，将可变负载电阻串联连接到电容器和线圈。电流源(a5710-400-2v0，vx instruments gmbh)向铁轨轨道供应50hz的ac。通过电流探头(pico technology ta167)监测铁轨轨道中的电流振幅。测量跨负载电阻器的电压以计算平均功率输出。
[0062]
将所制造设备的所测量线圈电阻rc和电感lc与表2中具有不同条件的模拟结果进行比较。“dc＝∞”意味着在测量期间不存在铁轨轨道；“螺线管”是指具有线圈但不具有通量收集器的磁杆；“mfeh”是指完全组装的采集器设备。在fem中，将mfeh和线圈调整为与原型相同。
[0063]
fem准确地预测螺线管的rc和lc。在组装通量收集器之后，模拟的lc稍微高于测量的lc，可能是因为实验中磁杆与通量收集器之间的气隙。总之，模拟的和测量的线圈参数是良好一致的。在dc＝190mm时，rc和lc大约与dc＝∞相同，这表明在该距离时铁轨轨道和涡流的可忽略影响。当mfeh放置得更靠近铁轨轨道时，观察到rc和lc都增加。rc的增加是由涡流损耗引起的。lc的增加是由涡流生成的磁场以及由铁磁铁轨轨道引起的磁芯的磁阻的减小的组合效应。在dc＝48mm时，测量的rc是71.2ω，其是dc＝∞时的rc的2.5倍，反映了考虑涡流损耗以便准确建模的重要性。
[0064]
表2：测量的和模拟的线圈参数的比较
[0065][0066]
表2中还呈现了用于调谐出线圈电感的电容。最终阻抗是连接到对应补偿电容器的线圈的阻抗。在fem中，由于可以指定任意电容，因此可以准确地调谐出lc。因此，fem中的最终阻抗是纯电阻性的，其电阻与rc相同，并且没有呈现。在实验中，调谐的准确度受到可用电容器的限制，因此，最终阻抗仍然具有小的电抗部分，如表2所示。由于电容器的电阻分量，电阻从rc开始稍微增加。
[0067]
在dc＝48mm时，测量的开路电压v
oc
与模拟的开路电压很好地一致，如图11a所示。v
oc
随铁轨轨道中的电流ir线性增加。这是因为由铁轨轨道生成的磁场随ir线性增加，这可以通过b
oc
与ir之间的线性关系来验证。
[0068]
将测量的平均功率、负载电压和电流的零峰值振幅与图11b至图11d的模拟结果进行比较。在fem中，负载电阻r
l
在线圈电阻rc＝77ω时保持恒定，因为rc总是最佳负载电阻。如所预期的，模拟负载电压和电流随ir线性增加，并且模拟功率与i
r2
成比例增加。在实验
中，当r
l
＝77ω时，测量的功率首先随ir迅速增加，然后在ir＞～300a之后逐渐变平。功率的变平是由当通量密度增加时由于磁芯的非线性磁化和磁饱和而导致的磁导率降低引起的。如图11b所示，模拟的平均通量密度b随ir线性增加。在lr＝300a时，b高达0.35t，导致实验中的非线性磁化。而且，如图12所示，高通量密度(＞0.51t)集中在拐角处，导致在这些位置处的磁饱和。实验中的非线性磁化和磁饱和导致电压振幅随ir增加的速度降低(如图11c所示)以及电压波形的失真(如图13c所示)。在ir＞300a之后，电压振幅的缓慢增加和电压波形的失真导致随ir的功率增加很小。
[0069]
为了充分地测试功率特性，在各个ir值时，改变测试中的负载电阻r
l
，直到获得产生最大功率的最佳负载电阻。在图11a中呈现了具有最佳r
l
的测量功率，其中，在直到ir＝520a才观察到模拟与实验之间的更好匹配。发现测量的最佳负载电阻(图11b)随ir增加。当ir＝100a时，最佳负载电阻是100ω，而不是77ω的线圈电阻，这可以通过图13a中的功率对r
l
曲线图来验证。当ir＝520a时，最佳负载电阻增加到185ω(图13b)。最佳负载电阻的增加部分是由于随着通量密度增加，磁芯的损耗(例如磁滞损耗)增加。该增加也由负载电阻的增加导致通量密度降低的事实引起。如图13a和图13b所示，磁芯中的通量密度b随r
l
单调地减小。通量密度的减小降低了高通量密度的负面影响，潜在地导致功率输出增加。这可以通过当ir保持恒定在520a时在不同负载电阻上测量的电压来验证，如图13d所示。当r
l
＝40ω时，由于磁饱和，测量的负载电压与正弦波显著失真。在这种情况下模拟的通量密度b(图13b)超过饱和极限(0.51t)。随着r
l
增加，失真逐渐减小，导致功率随r
l
的增加(图13b)。当r
l
＝185ω时，失真消失并且产生5.05w的最大功率。尽管最佳负载电阻增加，但测量的最大功率仅比6.15w的模拟功率低17.8％。这归因于当r
l
增加超过最佳值时功率r
l
的缓慢降低。
[0070]
随着距离dc增加，开路电压降低，如图14a所示，因为由铁轨轨道生成的磁场随到其自身的距离降低。将当dc＝95mm和190mm时的测量功率输出与图14b和图14c中的模拟进行比较。测量功率输出的特性类似于dc＝48mm的特性。当负载电阻r
l
等于线圈电阻时，功率输出随ir逐渐变平。通过增加负载电阻超过线圈电阻，可以生成更高的功率输出。在ir＝520a时，对于dc＝95mm和190mm，实验中测量的最大功率分别为3.5w和1.6w，对应于在dc＝48mm时生成的功率的69.3％和31.7％。尽管采集器以较大dc生成较低功率，但对于三个dc，磁芯中的模拟通量密度大约相同，如可从图11b以及图14b和图14c中看到的。dc＝48mm、95mm和190mm的通量密度b在ir＝300a时分别是0.34t、0.35t和0.34t。这解释了当dc＝95mm时，在r
l
＝50ω的情况下测量的功率在与dc＝48mm大约相同的ir(300a)时开始变平。当dc＝190mm时的测量功率在ir的更高值(～380a)时开始变平，因为测量功率与模拟功率之间的差异大于其它两个距离。
[0071]
如上文所述，根据本发明提供了具有多瓦功率的磁场能量采集器，其被设计、优化和测试以用于从由铁轨轨道中的牵引返回电流生成的磁场能量采集能量。本采集器结构简单且易于制造。与从围绕铁轨轨道的风、热和机械源采集能量相比，磁场能量不受天气条件的影响，并且采集器没有机械疲劳并且提供长寿命。这些优点与更高的功率输出一起使得采集器成为用于铁轨轨道状况监测的无线传感器网络的有前途的能量供应。
[0072]
在电磁电路耦合有限元模型中进行设计和优化，该有限元模型包括铁轨轨道中涡流生成的影响。所研究的设计参数包括磁芯的形状、尺寸和磁导率、线圈的匝的长度和数量以及磁芯中的负载相关的通量密度。通量收集器可以通过将更多的通量线引导到磁芯中并
且减小退磁效应来增加有效磁导率。因此，与没有通量收集器的磁芯相比，功率输出增加。然而，导致更高有效磁导率的通量收集器由于增加的涡流损耗而不总是带来更高的功率。增加磁芯材料的磁导率μr导致开始时功率增加，但是当μr足够大时，由于有效磁导率的饱和，该效应逐渐减弱。通过增加磁杆的长度和通量收集器的尺寸，可以增加采集器的功率输出。线圈长度应当尽可能地长，以减小线圈电阻并增加功率输出。当匝的总数增加时，由于由增加的导线长度和涡流损耗导致的增加的线圈电阻，功率输出首先快速增加，然后逐渐变平。磁杆的横截面积的增加显著地降低了通量密度，同时稍微地降低了功率，因此可以用于防止磁饱和。
[0073]
测试结果已经示出与模拟结果的良好一致性。由于磁芯的非线性磁化和磁饱和，在实验中观察到最佳负载电阻的增加。这也由以下事实引起：负载电阻的增加降低了通量密度，因此降低了非线性磁化和磁饱和的负面影响，导致发电增加。将采集器放置得离铁轨轨道更远减少了涡流损耗，但也减少了功率输出。当采集器从48mm的距离移动到涡流损耗可忽略的190mm时，功率输出从5.05w减少到1.6w。
[0074]
在前述装置中，通量收集器20、22突出到一定高度，使得铁轨12的底脚14的一部分位于通量收集器20、22之间。在一些应用中，通量收集器20、22的这种位置可能是不允许的，并且图1b例示了替代实施例，其中，通量收集器20、22与杆24一起完全位于底脚14的底部水平之下。由于这种装置可能比例如图1的装置效率低，因此通量收集器20、22可以具有增加的尺寸(增加的宽度和厚度)以补偿降低的效率和降低的高度，从而仍然允许生成期望的功率输出。通量收集器20、22、杆24和线圈26可以方便地位于壳体内，例如由合适的塑料材料制成的壳体，该壳体还可以容纳相关联电路的其它部分，该壳体定位在铁轨12的下方，以便将通量收集器20、22定位到铁轨12的相对侧，其中杆24在铁轨12的底脚14的整个宽度下方延伸。可以设想，壳体的尺寸可以在60mm高、360mm宽和190mm深的范围内。杆24的长度在260mm的范围内。通量收集器20、22方便地由层叠的磁钢材料制成。
[0075]
图15图解地例示了用于监测铁轨12的状况的铁轨监测装置30，该铁轨监测装置30并入有上文所述的采集装置10。如图15所示，铁轨监测装置30包括对指示铁轨状况的参数敏感的传感器32。以示例的方式，传感器32可以对与铁轨相关联的温度、湿度、加速度或振动和/或其它参数敏感。虽然传感器32可以对单个参数敏感，但是传感器32优选地包括对不同参数敏感的一系列单独的检测器，并且因此传感器32的输出可以包括指示与铁轨状况有关的不同参数值的范围的数据或信息。
[0076]
与传感器32相关联的是可操作为将表示传感器输出的数据传输到远程位置的传输装置34。以示例的方式，传输装置34可以包括蓝牙通信链路(其中传输距离相当短)或lora(其中需要更大的传输距离)，由此数据可以被传输到通信集线器，若干类似的装置30与该通信集线器通信。通信集线器又可以将数据传输到远程监测站，在远程监测站中，数据可以被存储并用于评估铁轨状况，并且响应于所感测的状况，可以执行任何可能需要的维护或维修动作。在图16的框图中图解地例示了传感器32和传输装置34以及相关联电路的功能。
[0077]
铁轨监测装置30还包括可操作为控制传感器32和传输装置34的操作的控制器36。优选地，对沿着铁轨12的列车的接近敏感的传感器38与控制器36相关联。传感器38可包括例如合适的无源压电换能器、麦克风或振动传感器。在使用中，传感器32和传输装置34通常
方便地处于低功率待机状态。在由传感器38检测到列车在接近时，控制器36方便地操作以将传感器32和传输装置34完全加电到完全操作状态，在该状态期间，传感器32操作为检测铁轨状况参数值，并且传输装置34操作为将传感器输出数据传输到通信集线器等。在预定时间之后，或者在检测到列车已经经过之后，控制器36操作为使传感器32和传输装置34返回到低功率待机状态。
[0078]
控制器36、传感器32和传输装置34由电存储设备28供电。优选地，如图例示，电存储设备28包括若干(在这种情况下为三个)存储器28a、28b、28c(各个存储器采用电容器等的形式)、将线圈输出转换成可用形式的功率转换器28e、以及可操作为控制存储器28a、28b、28c的充电和放电的功率管理模块28d(其可以形成控制器36的一部分)。
[0079]
在使用中，在传感器38的输出指示没有列车接近或经过监测装置30的时间期间，将没有或有最小的磁能被采集，并且线圈26的输出将为零。当传感器38提供指示有列车接近的输出时，则第一存储器28a和第二存储器28b中的一者或另一者与线圈26断开，并且改为连接为向传感器32和传输装置34供电，使得它们可以如上文所述那样操作。第一存储器28a和第二存储器28b中的另一者保持连接到线圈26，使得其充电可以继续，除非充满，在充满的情况下可以进行第三存储器28c的充电。
[0080]
方便地，第一存储器28a和第二存储器28b依次用于向传感器32和传输装置34供电。这样，具有最少电荷的存储器28a、28b将是被充电的存储器，并且具有最多电荷的存储器将用于为传感器32和传输装置34供电。如果期望，则可以使用合适的检测器来配置系统，以便总是使用具有最多电荷的存储器28a、28b来为传感器32和传输装置34供电。
[0081]
第三存储器28c可以在检测到异常的情况下使用。
[0082]
应当理解，这种装置是有利的，因为可以避免同时对存储器28a、28b进行充电和放电，并且可以存储足够的电力以使得在列车到达铁轨12的安装监测装置的部分之前能够对传感器32和传输装置34加电。由于能量采集的峰值水平将在机车等经过铁轨12的该部分时达到，因此应当理解，功率管理模块28d的作用在确保传感器32和传输装置34可以在达到能量采集的峰值水平之前被加电方面是重要的。通过在没有列车经过时将传感器32和传输装置34置于待机模式，应当理解，装置30的功率需求相对较小，并且可以容易地由采集装置10满足。
[0083]
在本发明的另外实施例中，从铁轨装置中的另一点采集能量。如上所述，前述实施例提供了能量采集器30，其定位为接近铁轨本身并且能够采集能量。在该实施例中，从回线采集能量，该回线电连接到铁轨并且提供到升压变压器的返回路径，该升压变压器设置在轨道侧。实际上，在某些铁轨构造中，设置多个这样的升压变压器，并且沿着轨道以一定间隔周期性地分散。这种装置在图17中例示。这示出了铁轨线100和相关联的装置。
[0084]
在轨道旁边有周期性的支柱101，其支撑和升高铁轨线100上方的各种电缆。各种线通过一个或多个绝缘体105与支柱100绝缘。功率在悬链线102中运送。悬链线设置有多个吊弦103，其是将悬链线102与接触线104连接的短电缆。接触线提供了列车经由其受电弓装置从系统接收功率所通过的装置。
[0085]
在配备有ac架空悬链线102的铁路线上，可以采取特殊的预防措施来减少附近通信电缆(未示出)中的干扰。如果通信电缆在运送架空线路电源的返回电流的铁轨100旁边铺设，则它可能具有在其中感应的不相等的电压。在长距离上，这些不相等的电压可能代表
安全隐患。为了解决这个问题，许多铁轨系统使用升压变压器110。这些升压变压器沿着路线以一定间隔定位在一些支柱101上。升压变压器通过回路导线电缆106连接到主功率馈送站，该回路导线电缆从支柱悬挂，使得其与轨道的距离与悬链线102的距离大致相同。回路导线106以一定间隔连接到运行轨100，以使回路电缆106和铁轨100平行。这种装置的效果是降低通信电缆中的噪声水平并确保电压保持在安全水平。这种装置通常用于铁轨系统中。
[0086]
为了将运行轨100连接到升压变压器110，从铁轨100到升压变压器110进行周期性的电连接107。这种连接107是电缆的形式，该电缆电连接到铁轨100，然后紧固到支撑升压变压器110的支柱101的下部。
[0087]
回路连接107提供了可以从其采集能量的另外的源。如关于先前实施例所述，当列车经过时，存在在铁轨100中流动且然后在回路连接107中流动的电流。
[0088]
图18示意性地例示了可用于采集与该电流相关联的能量的装置。线圈120围绕回路连接107放置，并且与流过导线107的电流相关联的磁通量在线圈中感应出电流，该电流可以以与先前描述的方式类似的方式采集。
[0089]
图18示出了在该实施例中可以改变的某些参数。这些参数包括线圈120的内半径ri、线圈120的外半径ro和线圈120的厚度h。可以改变的其它参数包括线圈匝的数量n和磁导率μr。
[0090]
图19示出了对于在导线107中流动的100a的典型返回电流的ro的各种值的模拟结果。在该模拟中，h＝30mm，ri＝33mm。这示出，如图所示，在ro在45-75mm范围内的情况下，可以采集大约5-15w的平均功率。还发现，如果h增加到60mm或90mm，则采集的功率可分别为10-30w和15-45w。
[0091]
图20示出了另外模拟曲线图，其示出了采集器功率相对于ro的关系。该示例示出了当ro＝70mm时的42w的功率。然而，箭头130指示如果ro增加则可以采集更多的功率。例如，如果ro＝120mm，则80w是可能的。该曲线图假定导线107中的返回电流为100a，ri＝33mm，h＝100mm，μr＝3500(硅钢)。
[0092]
从上文可以看出，对线圈120的合适参数的选择可以导致采集相对大量的能量。一个采集器装置能够输送超过40w。如果如图20所示进一步调整参数，则可以实现80w。
[0093]
在较低返回电流(例如80a)的情况下，则当ri＝33mm、ro＝120mm且h＝100mm时，所采集的功率可以在50w的范围内。
[0094]
注意，图18示出了线圈120完全围绕回路连接107，使得回路连接电缆107穿过线圈。当然，在实践中，存在其它可能的装置。唯一的要求是线圈120定位为足够靠近回路电缆，以便在其中感应电流。图18所示的装置是优选的，但不是唯一的选择。
[0095]
还注意，在不使用升压变压器的配置中，铁轨100可周期性地直接借助于连接到接地尖峰的电缆或类似物而接地。在这种情况下，所提及的电缆用作回路连接电缆，并且可以用于代替前面所提及的连接在铁轨100与升压变压器110之间的电缆107。
[0096]
与先前实施例相同，所采集的功率应当被存储以用于将来的活动。早前关于存储所捕获的能量提供的描述同样适用于图18所示的实施例。
[0097]
虽然上文的描述涉及能量采集装置和铁轨监测装置的具体设计，但是应当理解，在不背离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对其进行各种修改和变更。
[0098]
注意与本技术相关的该说明书同时或之前提交的所有论文和文献，并且这些论文和文献与该说明书一起公开供公众查阅，以引证的方式将所有这些论文和文献的内容并入本文。
[0099]
本说明书(包括任意所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任意方法或过程的所有步骤可以以任何组合方式组合，除了其中至少一些这样的特征和/或步骤相互排斥的组合。
[0100]
除非另外明确说明，否则本说明书(包括任意所附权利要求、摘要和附图)中公开的各个特征可以由用于相同、等同或类似目的替代特征来替换。因此，除非另外明确说明，否则所公开的各个特征仅是一系列一般性等同或类似特征的一个示例。
[0101]
本发明不局限于前述实施例的细节。本发明延及本说明书(包括任意所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任意新颖特征或任意新颖组合，或者延及如此公开的任意方法或过程的步骤的任意新颖步骤或任意新颖组合。

技术特征：
1.一种用于从铁路网络的铁轨形式的源采集磁场能量的能量采集装置，所述能量采集装置包括接近所述铁轨布置的能量采集器或电连接到所述铁轨的部件，并且所述能量采集器经由功率管理电路电连接到电存储设备。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述能量采集器包括第一通量收集器和第二通量收集器，所述第一通量收集器和第二通量收集器在使用中定位为邻近所述铁轨的底脚的相对侧，使得所述铁轨的所述底脚至少部分地侧向位于所述第一通量收集器与所述第二通量收集器之间，所述第一通量收集器和所述第二通量收集器通过杆互连，所述杆由线圈缠绕并且在所述铁轨下方延伸，所述线圈的导体经由所述功率管理电路电连接到所述电存储设备，其中，所述第一通量收集器和所述第二通量收集器以及所述杆是磁性材料。3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述通量收集器大致上是平面的形式。4.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述通量收集器定位成靠近但与所述铁轨隔开。5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述通量收集器整体上位于所述铁轨的所述底脚的底部水平之下。6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述通量收集器具有大体上正方形截面形状。7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述通量收集器和所述杆位于定位在所述铁轨下方的壳体内。8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述能量采集器包括接近回线布置的线圈，所述回线：从所述铁轨连接到位于所述铁轨旁边的升压变压器；或者从所述铁轨连接到地，并且所述线圈经由所述功率管理电路电连接到所述电存储设备。9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述线圈被布置为围绕所述回线。10.一种用于监测铁轨状况的铁轨监测装置，所述铁轨监测装置包括：根据前述权利要求中任一项所述的能量采集装置；传感器，其可操作为监测与所述铁轨相关联的状况参数，所述传感器被布置为从所述电存储设备供电；传输装置，通过所述传输装置，利用所述传感器获取的数据能够被传输到远程位置；以及控制器，其可操作为控制所述传感器和所述传输装置的操作。11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述电存储设备包括至少第一能量存储器和第二能量存储器，并且所述控制器包括功率管理功能，所述功率管理功能可操作为将所述能量存储器中的一者连接到所述线圈，并且将所述能量存储器中的另一者连接到所述传感器和所述传输装置。12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述控制器将具有最高电荷水平的能量存储器连接到所述传感器和所述传输装置，并且将具有最低电荷水平的能量存储器连接到所述线圈。13.根据权利要求11或12所述的装置，其中，所述能量存储器依次连接到所述传感器和所述传输装置。14.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，还包括可操作为检测列车的接近的传感器。15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述传感器包括压电传感器、麦克风或振动传
感器。16.根据权利要求15所述的装置，其中，在检测到接近的列车时，所述控制器给所述传感器和所述传输装置加电，以允许传感器信息被记录并传输到远程位置。17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述传感器信息经由蓝牙通信链路传输到形成所述远程位置的通信集线器。

技术总结
公开了一种用于从铁路网络的铁轨形式的源采集磁场能量的能量采集装置，该能量采集装置包括接近铁轨布置的能量采集器或电连接到铁轨的部件，并且该能量采集器经由功率管理电路电连接到电存储设备。路电连接到电存储设备。路电连接到电存储设备。


技术研发人员：朱美玲 阮庭文 周勤润 匡洋
受保护的技术使用者：埃克塞特大学
技术研发日：2022.01.21
技术公布日：2023/9/22