CN108457802B - 一种基于四相磁态变换与压电效应的小型风能收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于四相磁态变换与压电效应的小型风能收集器，包括绕组、绕组套筒和若干个发电机构，所述发电机构包括风流管、风能激振器、压电磁性复合薄片和永磁铁组，所述风能激振器、压电磁性复合薄片和永磁铁组依次安装在风流管内，所述绕组安装在绕组套筒上，所述绕组套筒套装在若干个发电机构外，所述压电磁性复合薄片包括压电薄膜和粘贴在压电薄膜底面上的磁性薄膜，所述永磁铁组包括分别安装在风流管上壁和下壁内侧的永磁铁一和永磁铁二以及设置在压电磁性复合薄片正后方的永磁铁三和磁铁支架。本发明可以同时实现压电式及电磁感应式风能发电，提高了风能采集效率及风能发电能力；此外结构简单，体积小，适用于为低功耗电子器件供电。
Description
技术领域
本发明属于环境微型能源采集及发电技术领域，具体是涉及一种基于四相磁态变换与压电效应的小型风能收集器。
背景技术
环境能量采集及发电技术作为微型化电子器件及设备的重要供电方案之一，已适用于多种能量源，如：太阳能、风能、热能、机械能和磁场能等。其中，风能是自然界中广泛存在的一种可再生的清洁能源，收集风能对偏僻环境电子设备的能量供给十分有效。
当前最常见的风能发电技术是大型风力发电机组发电，其基本原理都是利用风致风机转动带动绕组切割静磁场而产生电荷，并作为一种分布式能源向电网并网输入。然而，这种风力发电机体积极大，并不适用于微型电子设备。因此，针对微型电子设备，小型风能发电机的研制十分必要。
小型化风能发电机及其设备根据物理原理主要分为两类：一类是基于电磁感应原理；第二类是基于压电效应。第一类小型化风能发电机大部分依然采用风机与转子的组合，只是将它们的体积大幅度缩减。这种结构的缺陷在于机械传动部分损耗较大，导致整体发电效率不高，特别是在低风速情况下更难以驱动。第二类小型化风能发电机主要利用非流线型截面结构(如类飞机机翼、圆柱体、长方体、单臂薄型悬臂梁等)的风致振动效应，驱动柔性压电复合材料振动，从而利用压电效应发电。这类发电机装置虽然启动风速较低，但是压电材料内阻较大，输出功率依然不高。
发明内容
针对以上现有技术，本发明要解决的技术问题在于提供一种可收集风能为低功耗电子器件供电的基于四相磁态变换与压电效应的小型风能收集器，该风能收集器有效地结合了电磁感应与压电效应两类风能发电机的优势，实现了对风能的高效采集。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于四相磁态变换与压电效应的小型风能收集器，包括绕组、绕组套筒和若干个发电机构，所述发电机构包括风流管、风能激振器、压电磁性复合薄片和永磁铁组，所述风能激振器、压电磁性复合薄片和永磁铁组依次安装在所述风流管内，所述绕组由多股线圈组成且固定安装在所述绕组套筒上，所述绕组套筒套装在若干个所述发电机构外；所述风流管为抽壳长方体，包括对称设置的上壁和下壁、左壁和右壁以及进风口和出风口；所述风能激振器包括激振柱和贯穿所述激振柱中心轴线的激振柱支架，所述风能激振器安装在所述风流管的进风口处且所述激振柱支架的两端分别固定安装在所述风流管的左壁和右壁上；所述压电磁性复合薄片包括压电薄膜和粘贴在所述压电薄膜底面上的磁性薄膜且所述压电薄膜的正负电极面与所述风流管的进风口平面垂直，所述压电磁性复合薄片以悬臂梁式设置在所述激振柱的正后方且一端固定安装在所述激振柱上；所述永磁铁组包括永磁铁一、永磁铁二、永磁铁三和磁铁支架，所述永磁铁一和所述永磁铁三对称地分别固定安装在所述风流管的上壁和下壁的内侧，所述永磁铁一与所述永磁铁三的磁性相反且磁极化方向与所述风流管的进风口平面垂直，所述永磁铁二固定安装在所述磁铁支架上且所述永磁铁二的磁极化方向与所述风流管的进风口平面平行，所述永磁铁二和磁铁支架设置在所述压电磁性复合薄片另一端的正后方且所述磁铁支架的两端分别固定安装在所述风流管的左壁和右壁上。
更优的，所述风流管的上壁和下壁上均设置有子出风口。
更优的，所述发电机构的数量为1～4个。
更优的，所述风流管的横截面为正方形或长方形。
更优的，所述激振柱的材质为铝材、塑料或有机玻璃。
更优的，所述激振柱的横截面为圆形、正方形或矩形。
更优的，所述压电薄膜的材质为压电陶瓷、PVDF或压电单晶。
更优的，所述磁性薄膜的材质为坡莫合金、硅钢、微晶合金、非晶合金或坡莫合金/微晶合金复合材料。
更优的，所述永磁铁组中永磁铁的材质为NdFeB或AlNiCo。
相比于现有技术，本发明的有益效果是：
1、通过采用四相磁态变换与压电效应结合的小型风能收集器可以同时实现压电式及电磁感应式风能发电，这与单独采用压电式或电磁感应式风能发电技术相比，其具有更高的输出功率及输出电能密度；
2、通过利用四相磁态变换原理设计的风能收集器，与传统电磁感应式风能收集器相比，其具有更小的体积、更高的风电转换效率及输出电能密度；
3、通过在风流管的上壁和下壁上设置子出风口，可使引入到管内的气体发生振荡，并与激振器激发的涡旋风流发生强耦合作用，从而大大提高了管内风流的振荡水平，增强了压电磁性复合薄片的振动幅度，提高了风能采集效率及风能发电能力；
4、本发明结构简单，体积小，可为低功耗电子器件供电，特别是为偏僻环境下的电子设备提供能量。
附图说明
图1为一种基于四相磁态变换与压电效应的小型风能收集器的结构示意图。
图2为本发明中风能激振器、压电磁性复合薄片和永磁铁组的结构示意图。
附图说明：1-风流管，2-风能激振器，21-激振柱，22-激振柱支架，3-压电磁性复合薄片，31-压电薄膜，32-磁性薄膜，4-永磁铁组，41-永磁铁一，42-永磁铁二，43-永磁铁三，44-磁铁支架，5-绕组，6-绕组套筒。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步地说明。
如图1和2所示为一种基于四相磁态变换与压电效应的小型风能收集器的结构示意图，包括一个发电机构、绕组5和绕组套筒6。该发电机构由风流管1、风能激振器2、压电磁性复合薄片3和永磁铁组4组成，而且风能激振器2、压电磁性复合薄片3和永磁铁组4依次安装在风流管1内，还有绕组5固定安装在绕组套筒6上，而绕组套筒6套装在风流管1外。上述发电机构的数量也可以根据实际情况增加为2个、3个或4个。
上述风流管1为有机玻璃制成的抽壳长方体，而且该风流管1的横截面为正方形，当然，风流管1的横截面也可以制成长方形。该风流管1包括对称设置的上壁和下壁、左壁和右壁以及进风口和出风口，这样可用于接收和束缚风流。此外，在该风流管1的上壁和下壁上分别对称地设置有子出风口，这样可使被引入到风流管1内的气体发生振荡，并与安装在风流管1内的风流激振器2激发的涡旋风流发生强耦合作用，从而可以大大地提高风流管1内风流的振荡水平，增强后续压电磁性复合薄片3的振动幅度，提高风能采集效率及风能发电能力。
上述风能激振器2包括由有机玻璃制成的激振柱21和贯穿激振柱21中心轴线的激振柱支架22，其中激振柱21的横截面为圆形，而激振柱支架22的两端分别固定安装在风流管1的左壁和右壁上。也就是说，该风能激振器2固定安装在风流管1内且设置在风流管1的进风口处。
上述压电磁性复合薄片3包括压电薄膜31和粘贴在压电薄膜31底面上的磁性薄膜32，其中压电薄膜31的材质为压电陶瓷，磁性薄膜32的材质为高磁导率的坡莫合金。该压电磁性复合薄片3以悬臂梁式固定安装在激振柱21的正后方而且该压电磁性复合薄片3与上述风流管1的上壁和下壁平行设置。此外，压电薄膜31的正负电极面与风流管1的进风口平面垂直设置。
上述永磁铁组4包括永磁铁一41、永磁铁二42、永磁铁三43和磁铁支架44，其中永磁铁一41、永磁铁二42和永磁铁三43的材质均为NdFeB，磁铁支架44的材质为有机玻璃。上述永磁铁一41和永磁铁三43对称地分别固定安装在风流管1的上壁和下壁的内侧，同时也处于压电磁性复合薄片3的两侧，而且永磁铁一41与永磁铁三43的尺寸相同，磁性相反，磁极化方向与风流管1的进风口平面垂直。上述永磁铁二42固定安装在磁铁支架44上，而磁铁支架44的两端分别固定安装在风流管1的左壁和右壁上。还有永磁铁二42和磁铁支架44设置在上述压电磁性复合薄片3自由端的正后方，而且永磁铁二42的磁极化方向与风流管1的进风口平面平行。
上述绕组5由多股线圈组成并且固定在绕组套筒6上，这样可以保证有稳定的电磁感应输出。此外，上述绕组套筒6的材质也为有机玻璃。
本发明的工作原理如下：
当风流吹向风流管1的进风口时，风流管1接收及束缚风流在管内，并使风流沿风流管1长度方向传播。此时，一部分风流会撞击风能激振器2，因激振柱21的阻碍作用会使得风流沿着激振柱21表面绕行，从而在激振器21的后方形成涡旋脱落，而脱落的涡旋风流会在风能激振器2后方区域形成一定频率的压强变化，进而在压电磁性复合薄片3的上、下表面形成压差并驱动其振动；另一部分风流则沿着风流管1上的子出风口流出，这样加强了风流管1内气体的振荡，形成腔体共振效应，其可与激振器21激发的涡旋风流发生强耦合作用，从而可以大大地增强压电磁性复合薄片3的振动。这种强耦合作用一方面可以使压电磁性复合薄片3中的压电薄膜31因正压电效应将这种振动转化为电能输出，从而实现基于压电效应的风能发电；另一方面，随压电磁性复合薄片3周期振动的磁性薄膜32因处于永磁铁组4构建的特殊静磁场域而具有四种不同的磁化状态，并且在半个振动周期内磁性薄膜32内磁通将在四种磁态变换期间发生三次相位反相，从而产生极大的磁通变化，同时绕组5线圈感应到这种磁通变化并输出电能，从而实现基于四相磁态变换的风能发电。由此，本发明可基于四相磁态变换与压电效应同时实现压电式与电磁式的风能高效采集与发电，并为低功耗电子器件供电。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于四相磁态变换与压电效应的小型风能收集器，其特征在于：包括绕组、绕组套筒和若干个发电机构，所述发电机构包括风流管、风能激振器、压电磁性复合薄片和永磁铁组，所述风能激振器、压电磁性复合薄片和永磁铁组依次安装在所述风流管内，所述绕组由多股线圈组成且固定安装在所述绕组套筒上，所述绕组套筒套装在若干个所述发电机构外；
所述风流管为抽壳长方体，包括对称设置的上壁和下壁、左壁和右壁以及进风口和出风口；
所述风能激振器包括激振柱和贯穿所述激振柱中心轴线的激振柱支架，所述风能激振器安装在所述风流管的进风口处且所述激振柱支架的两端分别固定安装在所述风流管的左壁和右壁上；
所述压电磁性复合薄片包括压电薄膜和粘贴在所述压电薄膜底面上的磁性薄膜且所述压电薄膜的正负电极面与所述风流管的进风口平面垂直，所述压电磁性复合薄片以悬臂梁式设置在所述激振柱的正后方且一端固定安装在所述激振柱上；
所述永磁铁组包括永磁铁一、永磁铁二、永磁铁三和磁铁支架，所述永磁铁一和永磁铁三对称地分别固定安装在所述风流管的上壁和下壁的内侧，所述永磁铁一与永磁铁三的磁性相反且磁极化方向与所述风流管的进风口平面垂直，所述永磁铁二固定安装在所述磁铁支架上且所述永磁铁二的磁极化方向与所述风流管的进风口平面平行，所述永磁铁二和磁铁支架设置在所述压电磁性复合薄片另一端的正后方且所述磁铁支架的两端分别固定安装在所述风流管的左壁和右壁上。
2.根据权利要求1所述的一种基于四相磁态变换与压电效应的小型风能收集器，其特征在于：所述风流管的上壁和下壁上均设置有子出风口。
3.根据权利要求1所述的一种基于四相磁态变换与压电效应的小型风能收集器，其特征在于：所述发电机构的数量为1～4个。
4.根据权利要求1所述的一种基于四相磁态变换与压电效应的小型风能收集器，其特征在于：所述风流管的横截面为正方形或长方形。
5.根据权利要求1所述的一种基于四相磁态变换与压电效应的小型风能收集器，其特征在于：所述激振柱的材质为铝材、塑料或有机玻璃。
6.根据权利要求1所述的一种基于四相磁态变换与压电效应的小型风能收集器，其特征在于：所述激振柱的横截面为圆形、正方形或矩形。
7.根据权利要求1所述的一种基于四相磁态变换与压电效应的小型风能收集器，其特征在于：所述压电薄膜的材质为压电陶瓷、PVDF或压电单晶。
8.根据权利要求1所述的一种基于四相磁态变换与压电效应的小型风能收集器，其特征在于：所述磁性薄膜的材质为坡莫合金、硅钢、微晶合金、非晶合金或坡莫合金/微晶合金复合材料。
9.根据权利要求1所述的一种基于四相磁态变换与压电效应的小型风能收集器，其特征在于：所述永磁铁组中永磁铁的材质为NdFeB或AlNiCo。
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