CN101749192A

CN101749192A - 具有带线圈扇叶的风力发电一体机

Info

Publication number: CN101749192A
Application number: CN201010118580A
Authority: CN
Inventors: 张端; 何熊熊
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Rizhao Ruida Construction Group Co.,Ltd.
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: CN101749192B

Abstract

具有带线圈扇叶的风力发电一体机，包括一非通磁材料的垂直轴风扇，其轴设置在上部的扇盖和下部的扇座之间，所述扇盖和扇座的内侧各设有圆环形永磁体，所述永磁体内侧面由间隔均布的N极和S极组成；永磁体与扇盖或扇座间均有环形的导磁软磁体；所述垂直轴风扇的扇叶上、下端分别设有沿两侧凸出的与永磁体平行的软磁材料的扇叶上、下缘，所述扇叶上、下缘的凹槽内均绕有线圈；所述N极、扇叶上缘或扇叶下缘、S极、导磁软磁体可形成带有气隙的闭合主磁路。风扇转动时，各主磁路中的磁通变化，各线圈的磁通量将随之增大或减小，进而产生交流电动势。本发明的有益效果：结构紧凑、体积小、能量转换率高、节能环保。

Description

具有带线圈扇叶的风力发电一体机

技术领域

本发明涉及一种具有带线圈扇叶的风力发电一体机，尤其是适用于无线传感器网络和分布式小系统的具有带线圈扇叶的风力发电一体机。

背景技术

随着无线传感器网络、分布式小系统和互联网的产生和发展，分散于各处并组成上述系统的节点的供电问题成为一个难题。这些节点一般需要有各自独立的供电装置，使用较多的是电池。但电池的电量有限，对无线传感器节点即使采用了低功耗设计，一般也只能维持数月，电池的寿命成为节点寿命的瓶颈；同时无线传感器节点大多不回收，所以节点携带的化学电池引起的二次污染势必成为环境的重大威胁。因此，利用新能源给无线传感器节点供电势在必行。

对一些运动物体，如飞行中的鸟类和行进中的汽车，可为依附其上的用于科学研究或跟踪侦查等目的无线传感器网络节点提供稳定的风源。另一种情况是使用自然风能或与太阳能等其他可再生能源配合为无线传感器网络节点提供能源。传统风力发电装置通常由风扇、变速器和发电机组成。例如发明专利200680021096.3，由风扇带动转轴转动，并通过行星齿轮变速后用发电机发电。再如发明专利200680016461.1把垂直轴风扇安装在3个环状结构上，风扇旋转时环旋转并带动交流发电机发电。传统的风力发电机其用途一般是提供电力，甚至可并网发电，而其体积一般也较大。而在无线传感器节点和分布式小系统中一般功耗较小，但要求供电系统的体积较小，故传统风力发电机不适宜直接移植到为无线传感器网络和分布式小系统供电。

发明内容

本发明要解决传统风力发电机不适宜为无线传感器网络和分布式小系统供电的问题，提供了一种适宜为无线传感器网络和分布式小系统供电的具有带线圈扇叶的风力发电一体机。

具有带线圈扇叶的风力发电一体机，其特征在于：包括一垂直轴风扇，所述垂直轴风扇的轴设置在上部的扇盖和下部的扇座之间，所述扇盖上的四壁是镂空的，所述扇盖和扇座的内侧各设有圆环形永磁体，所述永磁体内侧面由间隔均布的N极和S极组成；永磁体与扇盖或扇座间均有环形的导磁软磁体；所述垂直轴风扇是非通磁材料，所述垂直轴风扇的扇叶的上、下两端分别设有沿两侧凸出的与永磁体平行的扇叶上缘、扇叶下缘，所述扇叶上、下缘是软磁材料，所述扇叶上、下缘的凹槽内均绕有线圈；所述永磁体与扇叶上缘、扇叶下缘之间分别有气隙，当风扇所处转动位置合适时，所述扇盖上N极、气隙、扇叶上缘、气隙、S极、导磁软磁体再回到N极可形成闭合主磁路，所述扇座上N极、气隙、扇叶下缘、气隙、S极、导磁软磁体再回到N极可形成闭合主磁路。

本发明考虑到无线传感器节点一般要求体积较小，因此提出一种将风扇与发电装置一体化的设计，使风扇本身成为发电装置的一部分，从而较大幅度地减小发电装置的体积。另一方面，风力发电装置产生的电动势不宜过低，否则不能为发电机后面的电路提供足够的能源；而从发电机的原理看，单就发电装置来说为产生较高电动势希望发电装置有较大尺寸或转子的旋转速度较高。转子旋转速度高要求自然风速较高或运动物体速度较快，均非发电装置本身可以干预的因素；但风扇和发电装置的一体化使发电装置尺寸相对地达到其可以达到的最大程度，从而提高所产生的电动势。

本发明中采用了垂直轴风扇，垂直轴风扇能够利用各个方向的风能，同时使得该装置的安装位置、方向和精度上比较自由。可以将本发明作为无线传感节点的一部分，其产生的电能可用于为无线传感器提供能量。

本发明将风扇与发电装置合为一体，其结构与一般风扇有较大区别。下面陈述本发明的设计特点。

本发明所述的具有带线圈扇叶的风力发电一体机其外壳由扇盖和扇座组成，扇盖上的四面扇壁镂空，以便于本发明可以利用各个方向的风源。扇盖和扇座的内侧各设有圆环形永磁体，所述永磁体内侧面由6个间隔均布的N极和S极组成；永磁体与扇盖或扇座间均有环形的导磁软磁体；在扇盖和扇座间有垂直轴风扇。垂直轴风扇为非通磁材质；垂直轴风扇采用特殊形式，其每一片扇叶在普通扇叶基础上其上下分别沿两侧延伸出平行于永磁体内侧面的软磁材料的扇叶上缘和扇叶下缘，所述扇叶上缘、扇叶下缘分别通过卡座固定在扇叶的上、下两端的U型固定口上。靠近扇盖处，当风扇所处的转动位置使扇叶上缘横跨N极和S极时，磁力线可以从N极、经扇叶上缘到达S极；靠近扇座处，当风扇所处的转动位置使扇叶下缘横跨N极和S极时，磁力线可以从N极、经扇叶下缘到达S极。而当风扇所处的转动位置使扇叶上缘或下缘完全在N极或S极内时，主要的磁力线垂直于扇叶上缘或下缘，沿扇叶上缘或下缘的磁力线几乎为0。为垂直轴风扇能良好转动，永磁体与垂直轴风扇间有个小气隙。所以，当风扇所处的转动位置合适时，可形成从N极、气隙、扇叶上缘或扇叶下缘、气隙、S极、导磁软磁体再回到N极的12个闭合主磁路。当风扇转动时，N极、S极永磁体与扇叶上缘或下缘重合的部分也随之变化，上述主磁路中的磁通同时不断变化，当扇叶上缘或下缘处于N极与S极中间位置时磁通最大，当扇叶上缘或下缘完全在N极或S极内时磁通最小，主磁路的变化频率应为风扇转动频率的6倍。

所述扇叶上、下缘上有凹槽，凹槽内绕有线圈；当风扇转动，主磁路磁通不断变化，从而经过线圈的磁通发生变化。于是在线圈中应产生电流以抵抗上述磁通变化，收集线圈中产生的电流即达到发电的效果。各线圈之间串接以提高发电电动势。

所述扇盖和扇座上的N极、S极数目总和分别与扇叶的数目相同。

综上所述，本发明的有益效果有：

1.将风扇和发电装置一体化，风扇扇叶上下缘采用软磁材料并布设线圈，结构简单紧凑，体积小，适合在无线传感器网络和分布式小系统的应用需求；

2.风扇和发电装置一体化后，其尺寸效应，有利于提高发电装置效能；

3.装置中可形成多个带小气隙的闭合主磁路，主磁路总磁通变化量大，能量转换率高；

4.本发明一方面利用可再生能源，可以节约能源；另一方面可大量减少使用电池，保护环境。

附图说明

图1为本发明沿图2中A-A向的剖视图。

图2为本发明沿图1中B-B向的剖视图。

图3为本发明扇叶的横剖视图。

图4为本发明永磁体的结构示意图。

具体实施方式

参照图1-4，本发明所述的具有带线圈扇叶的风力发电一体机，包括垂直轴风扇3，所述非通磁材料的垂直轴风扇3通过轴6和轴承5安装在上部的扇盖1和下部的扇座2之间。所述的扇盖1通过四个卡座8安装在扇座2上。所述的扇盖1和扇座2的内侧均设有圆环形永磁体4，所述永磁体4的内侧面由间隔均布的N极和S极组成，通过粘接的方式固定在扇盖1或扇座2上，扇座2和扇盖1上可以有一些小突起以利于永磁体定位。永磁体4与扇盖1或扇座2间均有环形的导磁软磁体13。所述的软磁材料是由矫顽力很小(HC＜102A/m)的铁磁材料制成。因为这种材料的矫顽力小，所以容易磁化，也容易退磁，磁滞损耗小，适合用到交变磁场中。纯铁、硅钢等材料都是软磁材料。因为本装置常应用于户外，所以这些软磁材料具有一定的防腐蚀性，表面镀一层防腐蚀剂即可。所述垂直轴风扇3上的每个扇叶9，与普通扇叶不同，有扇叶上缘10和扇叶下缘11，所述扇叶上缘10、扇叶下缘11的凹槽内均绕有线圈7，所述扇叶上缘10、扇叶下缘11分别通过卡座12固定在扇叶的上、下两端的U型固定口上。所述扇叶上缘10、扇叶下缘11均为软磁材料制成。扇叶上缘10在所述的扇盖1上的投影以及扇叶下缘11在扇座2上的投影的面积稍小于所述的N极、S极的面积，其形状也相互匹配。所述扇叶上缘10、扇叶下缘11上线圈7间应串接，串接方向应保证在风扇转动时各线圈产生的电动势不互相抵消。从所述N极、扇叶上缘10(扇叶下缘11)、S极、导磁软磁体回到N极可形成带有小气隙的多个闭合主磁路，这里的气隙是指扇叶上缘10到扇盖1上永磁体4内侧面及扇叶下缘11到扇座2上永磁体4内侧面之间的空隙，两气隙宽度应在0.3mm以下，以获得较大的磁感应强度。

所述扇盖1和扇座2上的N极、S极数目总和分别与扇叶9的数目相同。

所述扇盖1上的四壁均为空的。

下面说明本具有带线圈扇叶的风力发电一体机的工作原理。当风扇3不转动时，每一个线圈7中的磁通均不发生变化，此时线圈7中不能产生电流，从而不能产生电能。当风扇3遇风转动时，风扇扇叶下缘11与扇座2上的N极、S极的相对位置随扇叶9的转动会发生变化，所有扇叶下缘11投影到扇座2上N极的区域面积经历稍小于N极总面积到0的往复变化、投影到扇座2上S极永磁体的区域面积经历0到稍小于S极总面积的往复变化。假设风扇有6片扇叶，则这种变化的频率是风扇转动频率的6倍。故在风扇转动过程中，线圈7的总磁通变化的频率也为风扇转动频率的6倍。而根据电磁感应原理，线圈7中将产生频率为风扇转动频率的6倍的感应电流。同时上述通过扇叶下缘11上所有线圈7的总磁通大致上正比于相交部分的面积，总磁通的变化率大致上正比于上述投影面积变化率，而投影面积变化率又大致上正比于风扇3的转速，扇叶下缘11上上所有线圈7的总磁通的变化率正比于线圈中产生的电动势。故线圈7中产生的电动势大致上正比于风扇3转速。综合上述分析线圈7中可产生交变电流，而扇叶下缘11上所有线圈7正确串接后即可获得的电动势为单个线圈7产生电动势的6倍。扇叶上缘10上的线圈与扇座的永磁体变化情况也类似。值得注意的是扇叶上缘10与下缘11间存在一定角度差，因此扇盖上N极、S级与扇座上N极、S级间也应有同样的角度差。在此基础上，上述两组在扇叶上缘10、扇叶下缘11的线圈7间也应正确串接，获得的电动势为单个线圈产生电动势的12倍。为了得到直流电利用电路板整流电路实现交流电变直流电以便于充电。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims

1.具有带线圈扇叶的风力发电一体机，其特征在于：包括一垂直轴风扇，所述垂直轴风扇的轴设置在上部的扇盖和下部的扇座之间，所述扇盖上的四壁是镂空的，所述扇盖和扇座的内侧各设有圆环形永磁体，所述永磁体内侧面由间隔均布的N极和S极组成；永磁体与扇盖或扇座间均有环形的导磁软磁体；所述垂直轴风扇是非通磁材料，所述垂直轴风扇的扇叶的上、下两端分别设有沿两侧凸出的与永磁体平行的扇叶上缘、扇叶下缘，所述扇叶上、下缘是软磁材料，所述扇叶上、下缘的凹槽内均绕有线圈；所述永磁体与扇叶上缘、扇叶下缘之间分别有气隙，当风扇所处转动位置合适时，所述扇盖上N极、气隙、扇叶上缘、气隙、S极、导磁软磁体再回到N极可形成闭合主磁路，所述扇座上N极、气隙、扇叶下缘、气隙、S极、导磁软磁体再回到N极可形成闭合主磁路。

2.根据权利要求1所述的风力发电一体机，其特征在于：所述扇叶的上下两端均设有一U型固定口，所述扇叶上缘、扇叶下缘分别通过卡座固定在扇叶的上、下两端的固定口上。

3.根据权利要求2所述的风力发电一体机，其特征在于：所述扇盖和扇座上的N极、S极数目总和分别与扇叶的数目相同。