CN101782044B

CN101782044B - 永磁体扇叶风力发电一体机

Info

Publication number: CN101782044B
Application number: CN2010101193395A
Authority: CN
Inventors: 何熊熊; 张端; 郭慧贤
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: CN101782044A

Abstract

永磁体扇叶风力发电一体机，包括一永磁材料垂直轴风扇，其轴设置在上部扇盖和下部扇座之间，所述扇盖和扇座内侧均设有由第一、二软磁体组成的环形结构，其向内设有锯齿形叶片，所述第一、二软磁体均在扇盖和扇座的二个角方向上向外凸出并上下延伸将磁路导通；所述垂直轴风扇的扇叶的上、下两端极性相异，所述扇叶上设有线圈，其上、下两端分别设有与锯齿形叶片的形状相同扇叶上、下缘。所述垂直轴风扇、第一软磁体和第二软磁体可形成带有两个小气隙的闭合主磁路。风扇转动时，主磁路中的磁通随之改变，各线圈的磁通量将相应增大或减小，进而产生交流电动势。本发明的有益效果：结构紧凑、安装方便、体积小、应用性强、节能环保。

Description

永磁体扇叶风力发电一体机

技术领域

本发明涉及一种风力发电一体机，尤其是适用于无线传感器网络和分布式小系统的永磁体扇叶风力发电一体机。

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永磁体扇叶风力发电一体机。

永磁体扇叶风力发电一体机，其特征在于：包括一永磁材料的垂直轴风扇，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，所述扇盖和扇座内侧均设有由第一软磁体与第二软磁体组成的环形结构，所述环形结构向内设有锯齿形叶片，所述第一软磁体、第二软磁体均在扇盖和扇座的二个角方向上向外凸出并上下延伸将磁路导通；所述垂直轴风扇的扇叶的上、下两端极性相异，所述扇叶上设有线圈，所述扇叶的上、下两端分别设有平行于第一软磁体和第二软磁体内侧面的扇叶上缘、扇叶下缘，所述扇叶上、下缘的形状与锯齿形叶片的形状相同；所述第一软磁体、第二软磁体分别与扇叶上缘、扇叶下缘之间有气隙，所述扇叶、气隙、扇盖上环形结构的锯齿形叶片、扇座上环形结构的锯齿形叶片、气隙、扇叶可形成一个闭合主磁路。

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。

本发明所述的永磁体扇叶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。所述扇盖和扇座内侧均设有由第一软磁体与第二软磁体组成的环形结构，所述环形结构向内设有锯齿形叶片，所述第一软磁体、第二软磁体均在扇盖和扇座的二个角方向上向外凸出并上下延伸将磁路导通，第一软磁体及第二软磁均由上下2片经焊接而成；扇盖上和扇座上的环形结构间有垂直轴风扇。垂直轴风扇为永磁体材质；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延伸出平行于第一软磁体与第二软磁体内侧面的扇叶上缘和扇叶下缘，并在扇叶上安装有线圈。所述垂直轴风扇的扇叶的上、下两端极性相异，如果扇叶上端磁性为N，下端磁性为S，磁力线可以从扇叶上端、经第一软磁体或第二软磁体到达扇叶下端。为垂直轴风扇能良好转动，在第一软磁体与垂直轴风扇间以及第二软磁体与垂直轴风扇间有两个小气隙。最终可以形成从垂直轴风扇上端、气隙、第一软磁体及第二软磁体、气隙、垂直轴风扇下端再经扇叶回到垂直轴风扇上端的闭合主磁路。当然闭合主磁路存在的条件是风扇上缘和下缘分别投影到第一软磁体和第二软磁体围成的上下两个环形结构上时，投影与环形结构上的锯齿有重合部分，根据含永磁体磁路的有关理论，该重合部分面积愈大，磁阻愈小，通过扇叶的总磁通也愈大；否则当重合部分面积为0时，磁路中的磁阻很大，扇叶上磁感应强度变得很小，通过扇叶的总磁通也减小。所述重合部分面积变化率与风扇角速度成正比。

当风扇转动时，主磁路的总磁通随之增大或减小，如果扇叶数为n，则主磁路上总磁通的变化频率应为风扇转动频率的n倍。

由于主磁路总磁通完全经过风扇扇叶上布置的线圈，当风扇转动时，经过所有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。各线圈之间通过合理串接可以提高发电电动势。

所述第一软磁体与第二软磁体上，靠近扇盖的锯齿形叶片以及靠近扇座的锯齿形叶片数目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，永磁材质的风扇其扇叶上布设线圈，成为发电装置的一部分，结构紧凑，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.装置中形成带小气隙的闭合主磁路，该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。

具体实施方式

实施例一

参照图1-3，本发明所述的永磁体扇叶风力发电一体机，包括永磁体材料的垂直轴风扇7，所述垂直轴风扇7通过轴5和轴承6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13安装在扇座2上。所述扇盖1和扇座2内侧均设有由第一软磁体3与第二软磁体4组成的环形结构，所述环形结构向内设有锯齿形叶片12，所述第一软磁体3、第二软磁体4均在扇盖和扇座的二个角方向上向外凸出并上下延伸将磁路导通，第一软磁体3及第二软磁4均由上下2片经焊接而成；第一软磁体3和第二软磁体4被上下共8个卡座15固定在扇盖1或扇座2上。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7的扇叶11上设有线圈8，线圈8通过卡座14固定在垂直轴风扇7上。所述垂直轴风扇7的扇叶11的上、下两端极性相异，所述扇叶11的上、下两端分别设有平行于第一软磁体3和第二软磁体4内侧面的扇叶上缘9、扇叶下缘10，所述扇叶上缘9、扇叶下缘10的形状与锯齿形叶片12的形状相同。扇盖1上环形结构的锯齿形叶片12与扇座2上环形结构的锯齿形叶片12有一定角度差以反应所述扇叶上缘9和扇叶下缘10之间的角度差。所述垂直轴风扇7、扇盖1上环形结构的锯齿形叶片12、扇座2上环形结构的锯齿形叶片12形成带有两个小气隙的闭合主磁路，这里的气隙是指扇叶上缘9到扇盖1上环形结构的锯齿形叶片12之间的空隙，及扇叶下缘10到扇座2上环形结构的锯齿形叶片12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。闭合主磁路存在的条件是风扇上缘9和下缘10分别投影到第一软磁体3和第二软磁体4围成的上下两个环形结构上时，投影与环形结构上的锯齿有重合部分，根据含永磁体磁路的有关理论，该重合部分面积愈大，磁阻愈小，通过扇叶11的总磁通也愈大；否则当重合部分面积为0时，磁路中的磁阻很大，磁感应强度变得很小，通过扇叶11的总磁通也很小。所述重合部分面积变化率与风扇角速度成正比。所述线圈8间应串接，串接方向应保证在风扇转动时各线圈8产生的电动势不互相抵消。

扇盖1上环形结构的锯齿形叶片12和扇座2上环形结构的锯齿形叶片12数目分别与扇叶11的数目相同。

所述扇盖1上的四壁均为空的。

下面说明本永磁体扇叶风力发电一体机的工作原理。当风扇7不转动时，闭合主磁路的总磁通不变，线圈8中的磁通也不发生变化，此时线圈8中不能产生电流，从而不能产生电能。当风扇7遇风转动时，风扇7扇叶下缘10与扇座2上环形结构的锯齿形叶片12的相对位置随扇叶的转动会发生变化，所有扇叶下缘10投影到扇座2上环形结构的锯齿形叶片12区域的面积也经历0到扇座2上环形结构的锯齿形叶片12面积和的往复变化。而风扇7扇叶上缘9处的情况也类似。假设风扇7有7片扇叶，则这种变化的频率是风扇7转动频率的7倍。故在风扇转动过程中，线圈8的总磁通变化的频率也为风扇7转动频率的7倍。而根据电磁感应原理，线圈8中将产生频率为风扇7转动频率的7倍的感应电流。同时上述通过垂直轴风扇7上所有线圈8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正比于风扇的转速，垂直轴风扇7上所有线圈8的总磁通的变化率正比于线圈中产生的电动势。故线圈8中产生的电动势大致上正比于风扇转速。综合上述分析线圈8中可产生交变电流，而所有线圈8正确串接后即可获得的电动势为单个线圈产生电动势的14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.永磁体扇叶风力发电一体机，其特征在于：包括一永磁材料的垂直轴风扇，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，所述扇盖和扇座内侧均设有由第一软磁体与第二软磁体组成的环形结构，所述环形结构向内设有锯齿形叶片，所述第一软磁体、第二软磁体均在扇盖和扇座的二个角方向上向外凸出并上下延伸将磁路导通；所述垂直轴风扇的扇叶的上、下两端极性相异，所述扇叶上设有线圈，所述扇叶的上、下两端分别设有平行于第一软磁体和第二软磁体内侧面的扇叶上缘、扇叶下缘，所述扇叶上、下缘的形状与锯齿形叶片的形状相同；所述扇盖上环形结构的锯齿形叶片与扇叶上缘之间有第一气隙，所述扇座上环形结构的锯齿形叶片与扇叶下缘之间有第二气隙，所述扇叶、第一气隙、扇盖上环形结构的锯齿形叶片、扇座上环形结构的锯齿形叶片、第二气隙、扇叶可形成一个闭合主磁路。

2.根据权利要求1所述的永磁体扇叶风力发电一体机，其特征在于：扇盖上环形结构的锯齿形叶片和扇座上环形结构的锯齿形叶片数目分别与扇叶的数目相同。