中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
電力物聯(lián)網(wǎng)（Power Internet of Things, PIoT）作為智能電網(wǎng)的核心技術(shù)，依賴(lài)大量分布式傳感器實(shí)現電網(wǎng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監控。傳統傳感器受限于電池或者分電源線(xiàn)供電，存在維護成本高、續航短、或不可移動(dòng)部署等問(wèn)題?，F有解決方案，如采用太陽(yáng)能或振動(dòng)能量收集，在連續、穩定供電以及效率方面存在不足。而基于傳統線(xiàn)圈的電磁感應方法，在低頻下存在無(wú)線(xiàn)能量傳輸效率低等問(wèn)題。近期興起的磁機電（MME）諧振器，雖然可在低頻下實(shí)現高效率能量轉換，但多數設備僅支持單一功能（如能量采集或傳感），難于同時(shí)實(shí)現不同頻率下的有效自供電和自傳感功能。尤其在電網(wǎng)接地故障檢測中，傳統異頻信號注入法需要依賴(lài)外部傳感器，且后續數據處理需額外電源，這限制了部署在復雜環(huán)境中傳感器的可持續長(cháng)久使用。因此，為解決這一困惑，十分有必要開(kāi)發(fā)一種微型化MME諧振器，可捕獲電網(wǎng)環(huán)境中雜散低頻磁場(chǎng)能量，實(shí)現自供電，以及實(shí)現同步無(wú)線(xiàn)監測電網(wǎng)異頻電流的異常變化。
近日，北京大學(xué)董蜀湘教授團隊及其合作者創(chuàng )新性的設計了一種“正交、雙U型”結構的磁機電耦合諧振器，可同時(shí)實(shí)現電網(wǎng)磁場(chǎng)能量采集與異頻電流信號無(wú)線(xiàn)檢測的功能，如圖1所示。
圖1 正交、雙U型MME諧振器的工作原理及其在配電網(wǎng)環(huán)境中的運行示意圖。
圖2 （a，b）雙U型MME諧振器在50Hz和185Hz頻率下對稱(chēng)解耦雙模彎曲振動(dòng)的示意圖。
該諧振器由兩個(gè)相互垂直正交的U型MME諧振器組合而成，分別具有不同的長(cháng)度和不同質(zhì)量的永磁體，這使得它們可以響應不同頻率的入射磁場(chǎng)。如圖2所示，能量采集諧振器（EH U-finger A）的諧振頻率設計在工頻頻率，可高效的采集電力線(xiàn)工頻電流產(chǎn)生的雜散輻射磁場(chǎng)能量；而傳感諧振器（sensing U-finger B）的諧振頻率設計在異頻注入電流的工作頻率，可敏銳監測非工頻注入電流的異常信號。由于兩個(gè)U型諧振器在結構和工作頻率上的正交解耦設計，兩個(gè)諧振器可獨立和同步工作，同時(shí)實(shí)現能量采集與異頻電流信號感知，且兩者互不干擾。
值得特別指出的是，本研究提出的EH U-finger A和sensing U-finger B均設計在U型對稱(chēng)振動(dòng)工作模態(tài)，其磁電耦合系數相比傳統單懸臂梁諧振結構提升了430%。該器件在極弱磁場(chǎng)環(huán)境下表現出了優(yōu)異性能：在0.5 Oe工頻磁場(chǎng)下，能量采集諧振器EH U-finger A產(chǎn)生的輸出功率可達1.53 mWRMS；而在0.1 Oe極弱磁場(chǎng)下，其歸一化功率密度可達10.97μW Hz-1 Oe-2 cm-3，是目前已報道的同類(lèi)MME能量采集諧振器中的最好水平。同時(shí)，磁傳感諧振器sensing U-finger B對異頻入射磁場(chǎng)的響應靈敏度高達102 kV/T，磁場(chǎng)探測極限為710 pT，而它的等效磁噪聲僅2.04 pT/√Hz，且幾乎不受能量采集諧振器EH U-finger A的干擾。
該雙 U 型 MME 諧振器創(chuàng )新性地實(shí)現了同步能量采集和傳感的功能集成，通過(guò)對稱(chēng)解耦雙頻設計，突破了傳統 MME 器件功能單一的局限，同步提升了弱磁場(chǎng)能量轉換效率與磁場(chǎng)傳感靈敏度，為電力物聯(lián)網(wǎng)中分布式傳感器的長(cháng)期自主運行開(kāi)辟了新途徑，助力智能電網(wǎng)向更高效、可持續的智能化方向發(fā)展。
該成果發(fā)表在《Advanced Science》，題目為：“A Self-Powered Double U-Finger MME Resonator Capable of Wirelessly Capturing Abnormal Message in Smart Grid Networks”。文章DOI為：10.1002/advs.202508149。
該成果第一作者是深圳大學(xué)機電與控制工程學(xué)院23級碩士生鄭心怡；海南大學(xué)成植副研究員、西安交通大學(xué)常江磊助理教授、深圳大學(xué)方仕童副研究員，以及北京大學(xué)董蜀湘教授為該論文的通訊作者。該研究工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目的資助。
