CN113328600B - 一种基于流致振动的风力俘能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于流致振动的风力俘能装置，其包括：摆动机构，所述摆动机构包括摆动件和弹性件，所述弹性件的一端固定、另一端连接于所述摆动件；直线发电机；万向传动机构，包括传动杆、第一万向节联轴器、连杆和第二万向节联轴器，所述传动杆的一端连接于所述摆动件，所述连杆的一端通过第一万向节联轴器连接于所述传动杆的另一端，所述连杆的另一端通过第二万向节联轴器连接于所述直线发电机的动子。本发明的基于流致振动的风力俘能装置采用直线发电机，仅需摆动件进行往复摆动便能发电，能量转化效率更高。

Description

一种基于流致振动的风力俘能装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种基于流致振动的风力俘能装置。
背景技术
风是没有公害的能源之一，而且它取之不尽，用之不竭，对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大，因地制宜地利用风力发电，非常适合，因此，这些地方配备有许多的风力发电装置，但是当前主要的风力发电设备依靠旋桨式风机结构，即由风动能带动桨叶旋转进而发电，旋转发电机则需要通过传动机构将振子的直线运动转换为发电机动子的旋转运动，其过程能量损耗相对较大，发电效率不理想。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种基于流致振动的风力俘能装置，解决现有技术中旋转发电机的能量损耗大的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种基于流致振动的风力俘能装置，其包括：
摆动机构，包括摆动件和弹性件，所述弹性件的一端固定、另一端连接于所述摆动件；
直线发电机；
万向传动机构，包括传动杆、第一万向节联轴器、连杆和第二万向节联轴器，所述传动杆的一端连接于所述摆动件，所述连杆的一端通过第一万向节联轴器连接于所述传动杆的另一端，所述连杆的另一端通过第二万向节联轴器连接于所述直线发电机的动子。
进一步的，所述直线发电机为圆筒型直线发电机，其包括动子铁芯、永磁体、感应线圈和定子铁芯，所述定子铁芯设有通孔，所述动子铁芯一端连接于所述第二万向节联轴器、另一端可滑动插设于所述通孔，所述永磁体卷绕于所述动子铁芯，所述感应线圈绕于所述定子铁芯的通孔内壁，用于切割所述永磁体产生的磁场。
进一步的，所述圆筒形直线发电机还包括电机支架，用于支撑所述定子铁芯。
进一步的，所述摆动机构还包括支撑基座，用于支撑所述弹性件。
进一步的，所述万向传动机构还包括支撑架和运动杆，所述支撑架开设有通孔，所述运动杆设置于所述第二万向节联轴器和所述动子铁芯之间，所述运动杆的一端连接于所述第二万向节联轴器、另一端穿设于所述通孔连接至所述动子铁芯并可沿所述通孔左右滑动。
进一步的，所述万向传动机构还包括直线轴承，所述直线轴承设置于所述通孔内，所述运动杆的另一端可滑动连接于所述直线轴承并连接至所述动子铁芯。
进一步的，所述摆动件呈圆台状。
进一步的，所述圆台状摆动件的外壁沿高度方向还设置有卷绕部，该卷绕部的横截面呈余弦。
进一步的，所述永磁体为海尔贝克阵列。
进一步的，所述感应线圈采用分数槽结构排布。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明的发电机构使用直线发电机，仅需摆动件随风力进行往复摆动便能发电，省去各类旋转部件，结构更加简单，减少了动能能量转化中的损耗，使得能量转化效率更高。
附图说明
图1是本发明提供的实施例-基于流致振动的风力俘能装置的结构示意图；
图2是本发明提供的实施例-基于流致振动的风力俘能装置中万向传动机构的结构示意图；
图3是本发明提供的实施例-基于流致振动的风力俘能装置中发电机构的结构示意图；
图4是本发明提供的实施例-基于流致振动的风力俘能装置中波浪锥型圆柱体的尺寸结构示意图；
图5是本发明提供的实施例-基于流致振动的风力俘能装置中波浪锥型圆柱体的振幅比随折合流速变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
参照图1，本发明提供了一种基于流致振动的风力俘能装置，其包括摆动机构1、万向传动机构2和直线发电机3，摆动机构1包括摆动件11、弹性件12和支撑基座13，弹性件12的一端连接于支撑基座13、另一端连接于摆动件11，可以理解的是，摆动件可以是球形、圆柱、圆台或者圆锥等钝体，本发明实施例中，摆动件为圆台状，弹性件12支撑圆台状摆动件，当摆动件离开初始平衡位置后为其提供回复到原位置的力，保证其发生往复摆动，风在一定的速度下吹过圆台状摆动件，圆台状摆动件吸收风能，并发生流致振动，圆台状摆动件能接受来自各个来流向的风能，因而可以省略传统风力发电机中的对风装置，作为优选的实施例，圆台状摆动件的外壁沿高度方向还设置有卷绕部，该卷绕部的横截面呈余弦，比正常圆柱、球体等更容易发生流致振动现象，更有利于将风能转化为摆动件的机械能，并传递至发电机构完成发电。
参照图2，万向传动机构2包括传动杆21、第一万向节联轴器22、连杆23、第二万向节联轴器24、支撑架25和运动杆26及直线轴承27，支撑架25开设有通孔，直线轴承27设置于所述通孔内，传动杆21的一端连接至摆动件11，连杆23的两端分别连接至第一万向节联轴器22和第二万向节联轴器24且分别连接至传动杆21的另一端和运动杆26，运动杆26的一端连接于第二万向节联轴器24、另一端穿设于通孔连接至直线发电机的动子并可沿通孔左右滑动；万向节传动机构能够保证摆动件11接收任意方向的风力后将摆动产生的机械能传递给运动杆作往复直线运动，运动杆连接到发电机，完成钝体机械能转化为发电机的机械能的能量转换，直线轴承可以使整个传动机构能稳定运作，同时可以在一定程度上减小传动机构在摩擦阻尼上的功率损耗。
参照图3，可以理解的是发电机构可以是直线发电机或者旋转式发电机，本发明提供的实施例中直线发电机为圆筒型直线发电机，其包括动子铁芯31、永磁体32、感应线圈33和定子铁芯34及其电机支撑架35，定子铁芯34开设有通孔，动子铁芯31一端连接于运动杆26、另一端可滑动插设于通孔，永磁体32卷绕于动子铁芯31，感应线圈绕33于定子铁芯34的通孔内壁，用于切割永磁体产生的磁场，电机支撑架则连接于定子铁芯外壁，用于支撑固定定子铁芯，其中，永磁体为海尔贝克阵列，可以提高发电机功率密度，减小发电机体积和重量，感应线圈采用分数槽结构排布，可以提高反电动势波形的正弦性并削减谐波电动势，提高槽满率，由万向节传动机构运动杆26传递过来直线运动转化为电机动子铁芯的往复直线运动，由感应线圈切割永磁体的磁场来发电，以此完成直线电机动子铁芯的机械能转换为电能。
参照图4，本发明提供的实施例中，摆动件为圆台，其侧壁还设置有卷绕部，从横截面图看余弦波随着高度增加的同时具有一定的斜率，该摆动件的几何特征用可以用下公式表示：
Dm＝(Dmax+Dmin)/2
DZ＝Dm+2a×cos(2πz/λ)+2k×(z-H/2)
式中：DZ表示圆台在展向方向(Z坐标)上的横截面直径，其中z为圆台在以圆台底部为坐标原点时其在展向方向即Z轴方向的坐标，Dmax和Dmin分别表示圆台的最大横截面直径和最小横截面直径，Dm表示圆台的平均直径，a表示余弦波浪的波幅，λ表示余弦波浪的波长，k表示余弦波浪的倾斜斜率，H表示圆台的高度，本发明实施例中圆台的高度取7Dm，选取展向中间位置为平均直径。
参照图5，经过仿真计算与试验验证发现，该摆动件与直圆柱的锁频区间基本一致，但是振动响应却有所不同，
—Ο—表示λ/Dm＝1.75、波幅比a/Dm＝0.10、斜率k＝0.02时摆动件的最大振幅，
——表示λ/Dm＝1.75、波幅比a/Dm＝0.10、斜率k＝0.03时摆动件的最大振幅，
—◇—表示λ/Dm＝1.75、波幅比a/Dm＝0.10、斜率k＝0.04时摆动件的最大振幅，
—△—表示λ/Dm＝1.75、波幅比a/Dm＝0.10、斜率k＝0.05时摆动件的最大振幅，
其中波长比λ/Dm＝1.75、波幅比a/Dm＝0.10、斜率k＝0.05的摆动件最大振幅比较大，在不同折合流速下其最大振幅比的最大值和直圆柱相比提高了12.6％，一般来说钝体的振幅越大，钝体吸收的流体能量就会越多，越有利于后续的能量转换过程，因此本发明实施例中的摆动件与传统的直圆柱相比更易振动且振幅更大。
在以上基础上，本发明提供的实施例中的圆台结构参数取λ/Dm＝1.75、波幅比a/Dm＝0.10、斜率k＝0.05，同时将整个摆动件能量转换系统的高度保持在1m左右，可以适应更多的工作场所，取Dm＝0.1m，圆台的高度为0.7m。
本发明提供的实施例的工作原理为：当某风速范围内的风吹过摆动件11钝体时，产生流致振动，钝体在与风速和钝体垂线所形成平面的垂直方向发生往复振动产生位移，摆动件吸收风能并将其转化为自身发生振动的机械能，万向传动机构2将钝体的往复摆动转化为直线电机动子的往复直线运动，完成摆动件钝体的机械能转化为发电机动子的机械能的过程，直线发电机3通过动子的往复直线运动使感应线圈切割磁场，进而完成发电机动子机械能到电能的转换。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于流致振动的风力俘能装置，其特征在于，包括：
摆动机构，包括摆动件和弹性件，所述弹性件的一端固定、另一端连接于所述摆动件；
直线发电机；
万向传动机构，包括传动杆、第一万向节联轴器、连杆和第二万向节联轴器，所述传动杆的一端连接于所述摆动件，所述连杆的一端通过第一万向节联轴器连接于所述传动杆的另一端，所述连杆的另一端通过第二万向节联轴器连接于所述直线发电机的动子；
所述摆动件呈圆台状，且所述摆动件的高度为其平均直径的7倍；所述圆台状摆动件的外壁沿高度方向还设置有卷绕部，该卷绕部的横截面呈余弦，且所述卷绕部的倾斜斜率为0.05。
2.根据权利要求1所述的基于流致振动的风力俘能装置，其特征在于：所述直线发电机为圆筒型直线发电机，其包括动子铁芯、永磁体、感应线圈和定子铁芯，所述定子铁芯设有通孔，所述动子铁芯一端连接于所述第二万向节联轴器、另一端可滑动插设于所述通孔，所述永磁体卷绕于所述动子铁芯，所述感应线圈绕于所述定子铁芯的通孔内壁，用于切割所述永磁体产生的磁场。
3.根据权利要求2所述的基于流致振动的风力俘能装置，其特征在于：所述圆筒形直线发电机还包括电机支架，用于支撑所述定子铁芯。
4.根据权利要求1所述的基于流致振动的风力俘能装置，其特征在于：所述摆动机构还包括支撑基座，用于支撑所述弹性件。
5.根据权利要求2所述的基于流致振动的风力俘能装置，其特征在于：所述万向传动机构还包括支撑架和运动杆，所述支撑架开设有通孔，所述运动杆设置于所述第二万向节联轴器和所述动子铁芯之间，所述运动杆的一端连接于所述第二万向节联轴器、另一端穿设于所述通孔连接至所述动子铁芯并可沿所述通孔左右滑动。
6.根据权利要求5所述的基于流致振动的风力俘能装置，其特征在于：所述万向传动机构还包括直线轴承，所述直线轴承设置于所述通孔内，所述运动杆的另一端可滑动连接于所述直线轴承并连接至所述动子铁芯。
7.根据权利要求2所述的基于流致振动的风力俘能装置，其特征在于：所述永磁体为海尔贝克阵列。
8.根据权利要求2所述的基于流致振动的风力俘能装置，其特征在于：所述感应线圈采用分数槽结构排布。
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