CN208546266U - 一种涡轮式立轴电磁风能收集器 - Google Patents
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Abstract
一种涡轮式立轴电磁风能收集器，包括风能收集单元、电磁发电单元，两者通过二级齿轮增速机构连接并上下依次叠加固定设置。本实用新型提供的一种涡轮式立轴电磁风能收集器，相比于水平轴风能收集器，整体体积更小，风能利用率更高。同时，本实用新型设计了一种新型风能收集器风腔结构，在尽量简化收集器传动系统的前提下引入了二级齿轮增速机构，使得风能收集器在相同风速下能取得更高的功率输出。
Description
技术领域
本实用新型涉及能量收集设备技术领域，具体涉及一种涡轮式立轴电磁风能收集器。
背景技术
随着微机电系统和无线通信技术的迅速发展，无线传感器网络在军事、智能交通、环境监测等方面得到了广泛的应用。随着无线传感器网络节点的部署区域逐渐复杂化，有些区域甚至人员都无法到达，传统的电池供电方式已经逐渐难以满足使用要求。收集环境中广泛存在的风能来给无线传感节点供电是一种取代电池的有效方式。
鉴于目前的涡轮式电磁风能收集器能够取得高输出的往往体积大、结构复杂，而体积小的难以取得理想的功率输出。在尽可能缩小涡轮式电磁风能收集器整体尺寸的前提下，如何大幅提高风能收集器的输出功率与减小起始工作风速仍然是目前本领域内技术人员亟需解决的技术难题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的是提出一种涡轮式立轴电磁风能收集器，在尽量简化收集器传动系统的同时引入了二级齿轮增速机构，使得风能收集器在相同风速下能取得更高的功率输出，相比于水平轴风能收集器，整体体积更小，风能利用率更高。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种涡轮式立轴电磁风能收集器，包括风能收集单元、电磁发电单元，两者通过二级齿轮增速机构连接并上下依次叠加固定设置，
所述风能收集单元包括一内置有涡轮叶片的风腔壳体，所述涡轮叶片的中心贯穿设置有一旋转轴，且所述旋转轴的一端与所述风腔壳体的顶盖固定连接，另一端延伸通过风腔壳体的底部并与二级齿轮增速机构连接，所述风腔壳体的侧面开设有进风口，风腔壳体的顶盖中心位置开设有出风口，进风方向与所述旋转轴垂直，出风方向与所述旋转轴平行；
所述电磁发电单元包括有一发电模块壳体，所述发电模块壳体内设置有一中心穿设有转轴的转子磁铁，所述转轴上通过线圈套连接有一定子线圈，所述转轴的端部延伸通过发电模块壳体的顶部并与二级齿轮增速机构连接，所述发电模块壳体的顶部与风腔壳体的底部固定，且所述发电模块壳体与风腔壳体之间设有一齿轮腔；
所述二级齿轮增速机构设置在所述齿轮腔内，二级齿轮增速机构包括有一大直径齿轮和一小直径齿轮，两者啮合连接，所述大直径齿轮与风能收集单元中的旋转轴固定，所述小直径齿轮与电磁发电单元中的转轴固定。
作为优选的，所述风腔壳体的底部边侧四周与所述齿轮腔的边侧四周对应固定连接，构成连接定位结构。
作为优选的，所述风腔壳体的顶盖边侧垂直嵌入式设置有一尾舵，所述发电模块壳体的底部内固定嵌入第一轴承，所述发电模块壳体的底部转动连接有一底座，所述底座的中心位置凸设有一固定柱，所述固定柱穿设固定至第一轴承的中心处。
作为优选的，所述风腔壳体的顶盖的出风口中心处设置有圆形的固定部，所述旋转轴的两端分别设置有第二轴承，所述旋转轴上位于与风腔壳体顶盖连接一端处的第二轴承嵌置于固定部内，所述固定部的边缘处延伸出多根支撑梁架与出风口的边缘处固定连接。
作为优选的，所述风腔壳体的内部为圆柱形风腔结构，所述进风口的面积小于等于风腔壳体侧面面积的1/2。
作为优选的，所述风腔壳体的顶盖四周与所述风腔壳体的侧面四周对应固定连接。
作为优选的，所述涡轮叶片的截面为弧形曲面。
作为优选的，所述发电模块壳体底盖的内壁对应定子线圈设置有限位凹槽，所述定子线圈嵌入限位凹槽内并保持固定状态。
与现有技术相比，本实用新型提供的一种涡轮式立轴电磁风能收集器，其具有以下优点：
1、风腔壳体的内部为圆柱形风腔结构，风从侧面进风口吹入后，从涡轮叶片的旋转轴处向上吹出，相比于风从侧面吹入吹出的风腔结构，相同风速下涡轮转速更快，可以获得更高的电能输出；
2、通过引入二级齿轮增速机构，在尽量简化风能收集器结构的前提下，使得电磁发电模块的转速相比于涡轮转速又得到了进一步的提升，进一步提高了风能收集器的能量输出；
3、通过对风能收集器中风腔壳体的顶盖优化设计，使得收集器顶部既可以满足收集器出风口的作用，又可以对涡轮旋转轴进行支撑，提升涡轮稳定性。
4、风能收集器顶部的尾舵则能依靠风吹过时尾舵左右两侧的压力差，通过第一轴承转动来调整风能收集器的进风口朝向，使得风能收集器在任意风向下都能正常工作，正常转化电能，其中尾舵与风腔壳体顶盖相融合，大大减小了风能收集器的整体尺寸。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型提供的一种涡轮式立轴电磁风能收集器的结构示意图；
图2为本实用新型提供的一种涡轮式立轴电磁风能收集器的内部结构示意图；
图3为本实用新型提供的一种涡轮式立轴电磁风能收集器中风腔壳体顶盖的结构示意图；
图4为本实用新型提供的一种涡轮式立轴电磁风能收集器中涡轮叶片的结构示意图；
图5为本实用新型提供的一种涡轮式立轴电磁风能收集器中风腔壳体内部的结构示意图；
图6为本实用新型提供的一种涡轮式立轴电磁风能收集器中发电模块壳体的结构示意图；
图7为本实用新型提供的一种涡轮式立轴电磁风能收集器中电磁发电单元的结构示意图；
图8为本实用新型提供的一种涡轮式立轴电磁风能收集器的能量输出示意图。
附图中涉及的附图标记和组成部分说明：
1、风能收集单元；2、电磁发电单元；3、涡轮叶片；4、风腔壳体；5、旋转轴；6、顶盖；7、进风口；8、出风口；9、发电模块壳体；10、转轴；11、转子磁铁；12、线圈套；13、定子线圈；14、齿轮腔；15、缺口；16、凸起；17、大直径齿轮；18、小直径齿轮；19、尾舵；20、底座；21、第一轴承；22、固定柱；23、第二轴承；24、固定部；25、支撑梁架；26、观察视窗；27、发电模块壳体底盖；28、限位凹槽；29、安装孔。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参见图1～图7所示，一种涡轮式立轴电磁风能收集器，包括风能收集单元1、电磁发电单元2，两者通过二级齿轮增速机构连接并上下依次叠加固定设置。
其中，风能收集单元1包括一内置有涡轮叶片3的风腔壳体4，涡轮叶片3的中心贯穿设置有一旋转轴5，且旋转轴5的一端与风腔壳体4的顶盖6固定连接，另一端延伸通过风腔壳体4的底部并与二级齿轮增速机构连接。风腔壳体4的侧面开设有进风口7，风腔壳体4的顶部中心位置开设有出风口8，进风方向与旋转轴5垂直，出风方向与旋转轴5平行，风从风腔壳体4的侧面进风口吹入，带动涡轮叶片3转动，其后从顶部的出风口8处吹出，相比于现有的风从侧面吹入吹出的风腔结构，相同风速下涡轮叶片转速更快。
电磁发电单元2包括有一发电模块壳体9，发电模块壳体9内设置有一中心穿设有转轴10的转子磁铁11，转轴10上通过线圈套12连接有一定子线圈13，转轴10的端部延伸通过发电模块壳体9的顶部并与二级齿轮增速机构连接，发电模块壳体9的顶部与风腔壳体4的底部固定，且发电模块壳体9与风腔壳体4之间设有一齿轮腔14。
风腔壳体4的底部边侧四周与齿轮腔14的边侧四周对应固定连接，构成连接定位结构。在本实施例中，优选在风腔壳体4的底部边侧四周开设有缺口15，齿轮腔14的顶部边侧四周对应所述缺口15向上延伸设置有凸起16，风腔壳体4的缺口15与齿轮腔14的凸起16契合构成连接定位结构，起到连接定位的功能。
二级齿轮增速机构设置在齿轮腔14内，二级齿轮增速机构包括有一大直径齿轮17和一小直径齿轮18，两者啮合连接，大直径齿轮17与风能收集单元1中的旋转轴5固定，小直径齿轮18与电磁发电单元2中的转轴10固定。
风能收集单元1中的涡轮叶片3转动，通过二级齿轮增速机构传动带动电磁发电单元2中转子磁铁11转动，从而改变定子线圈13内部的磁通量，将风能转化为电能输出。
进一步的，风腔壳体4的顶盖6边侧垂直嵌入式设置有一尾舵19，嵌入式的设置方式既保留了尾舵19的功能性，又大大减小了风能收集器的整体尺寸。发电模块壳体9的底部转动连接有一底座20，发电模块壳体9的底部内固定嵌入第一轴承21，底座20的中心位置凸设有一固定柱22，固定柱22穿设固定至第一轴承21的中心处。风能收集器顶部的尾舵19则能依靠风吹过时尾舵19左右两侧的压力差，通过底部的第一轴承21转动来调整风能收集器的进风口7朝向，使得风能收集器能够根据风向的改变而进行旋转，改变进风口的指向，正常转化电能。
风腔壳体4的顶盖6的出风口8中心处设置有圆形的固定部24，旋转轴5的两端分别设置有第二轴承23，旋转轴5上位于与风腔壳体4顶盖6连接一端处的第二轴承23嵌置于固定部24内，为了支撑固定部24，在固定部24的边缘处延伸出多根支撑梁架25与出风口8的边缘处固定连接，使得风腔壳体4的顶盖6既可以满足收集器出风口的作用，又可以对涡轮旋转轴5进行支撑，提升涡轮稳定性。
风腔壳体4的顶盖6四周与风腔壳体4的侧面四周对应固定连接，同样采用与上述连接定位结构的组成部分，即风腔壳体4的顶盖6四周设置有缺口15，风腔壳体4的侧面四周对应所述缺口15位置向上延伸设有凸起16，风腔壳体4的顶盖6与侧面通过缺口15与凸起16相契合固定，起到了连接定位的功能。风腔壳体4的底面开有一观察视窗26，透过该观察窗口26可以清楚地从风能收集器的顶端观察到二级齿轮增速机构中齿轮组的啮合情况。
风腔壳体4内的涡轮叶片3，其截面为弧形曲面，提高了风能收集器的风能转化效率。同时，风腔壳体4的内部为圆柱形风腔结构，进风口7的面积占据风腔壳体4侧面面积的小于等于1/2，风腔壳体4侧面的其余部分为涡轮叶片3的阻风面，减小涡轮叶片3的旋转阻力，由于距离涡轮叶片3旋转轴5越远力矩越大，当风从进风口7吹入后，在圆柱形风腔内旋转，对涡轮叶片3充分做功后从涡轮叶片3旋转轴5处，也就是力矩相对较小的位置向上吹出。
同时，在电磁发电单元中，发电模块壳体底盖27的内壁对应定子线圈13设置有限位凹槽28，定子线圈13嵌入限位凹槽28内并保持固定状态。定子线圈13的外表面设置为平面结构，为了防止定子线圈13随之小直径齿轮18发生转动，发电模块壳体9的侧面根据定子线圈13的外表面形状同样设为平面。
发电模块壳体底盖27边缘处与发电模块壳体9的侧边处对应契合固定，防止发电模块壳体底盖27与发电模块壳体9发生旋转位移。为了实现该种效果，在发电模块壳体底盖27边缘处开设有缺口15，发电模块壳体9的侧边处对应所述缺口15位置向下延伸有凸块16，发电模块壳体底盖27与侧边通过缺口15和凸块16契合固定。
再者，底座20上还均匀开设有多个安装孔29，可以通过这些安装孔29将风能收集器固定安装于任何通风处为各种类型的无线传感节点供能。
本风能收集器是在风洞设备中进行输出性能测试的，风洞设备可以提供0m/s-15m/s的稳定风速。风能收集器的输出情况参见图8所示。当风速大于5m/s时，随着风速的增加，风能收集器的输出性能也随之相应的增大。当风速为15m/s时，在负载为357Ω的情况下，风能收集器的输出性能可以达到22.1mW。
综上，本实用新型提供的一种涡轮式立轴电磁风能收集器，相比于水平轴风能收集器，整体体积更小，风能利用率更高。同时，本实用新型设计了一种新型风能收集器风腔结构，在尽量简化收集器传动系统的前提下引入了二级齿轮增速机构，使得风能收集器在相同风速下能取得更高的功率输出。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种涡轮式立轴电磁风能收集器，其特征在于：包括风能收集单元、电磁发电单元，两者通过二级齿轮增速机构连接并上下依次叠加固定设置，
所述风能收集单元包括一内置有涡轮叶片的风腔壳体，所述涡轮叶片的中心贯穿设置有一旋转轴，且所述旋转轴的一端与所述风腔壳体的顶盖固定连接，另一端延伸通过风腔壳体的底部并与二级齿轮增速机构连接，所述风腔壳体的侧面开设有进风口，风腔壳体的顶盖中心位置开设有出风口，进风方向与所述旋转轴垂直，出风方向与所述旋转轴平行；
所述电磁发电单元包括有一发电模块壳体，所述发电模块壳体内设置有一中心穿设有转轴的转子磁铁，所述转轴上通过线圈套连接有一定子线圈，所述转轴的端部延伸通过发电模块壳体的顶部并与二级齿轮增速机构连接，所述发电模块壳体的顶部与风腔壳体的底部固定，且所述发电模块壳体与风腔壳体之间设有一齿轮腔；
所述二级齿轮增速机构设置在所述齿轮腔内，二级齿轮增速机构包括有一大直径齿轮和一小直径齿轮，两者啮合连接，所述大直径齿轮与风能收集单元中的旋转轴固定，所述小直径齿轮与电磁发电单元中的转轴固定。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮式立轴电磁风能收集器，其特征在于：所述风腔壳体的底部边侧四周与所述齿轮腔的边侧四周对应固定连接，构成连接定位结构。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮式立轴电磁风能收集器，其特征在于：所述风腔壳体的顶盖边侧垂直嵌入式设置有一尾舵，所述发电模块壳体的底部内固定嵌入第一轴承，所述发电模块壳体的底部转动连接有一底座，所述底座的中心位置凸设有一固定柱，所述固定柱穿设固定至第一轴承的中心处。
4.根据权利要求1所述的一种涡轮式立轴电磁风能收集器，其特征在于：所述风腔壳体的顶盖的出风口中心处设置有圆形的固定部，所述旋转轴的两端分别设置有第二轴承，所述旋转轴上位于与风腔壳体顶盖连接一端处的第二轴承嵌置于固定部内，所述固定部的边缘处延伸出多根支撑梁架与出风口的边缘处固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种涡轮式立轴电磁风能收集器，其特征在于：所述风腔壳体的内部为圆柱形风腔结构，所述进风口的面积小于等于风腔壳体侧面面积的1/2。
6.根据权利要求1所述的一种涡轮式立轴电磁风能收集器，其特征在于：所述风腔壳体的顶盖四周与所述风腔壳体的侧面四周对应固定连接。
7.根据权利要求1所述的一种涡轮式立轴电磁风能收集器，其特征在于：所述涡轮叶片的截面为弧形曲面。
8.根据权利要求1所述的一种涡轮式立轴电磁风能收集器，其特征在于：所述发电模块壳体底盖的内壁对应定子线圈设置有限位凹槽，所述定子线圈嵌入限位凹槽内并保持固定状态。
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