CN214228067U - 一种非转轴驱动的旋转叶片系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种非转轴驱动的旋转叶片系统，包括n片旋转叶片和电磁力发生装置；n片旋转叶片环绕转轴均匀排布，其外缘设置有永磁体，磁极线沿外缘的切线方向设置，或沿旋转叶片的转轴方向设置；n≥2；电磁力发生装置包括电磁装置、逻辑电源和信号传感器；信号传感器的信号输出端连接逻辑电源；电磁装置包括磁芯和环绕磁芯设置的至少一组线圈；线圈连接逻辑电源；磁芯设置间隙m相邻所述永磁体的旋转周线安装。通过逻辑电源对电磁装置提供脉冲直流电使旋转叶片获得旋转。

Description

一种非转轴驱动的旋转叶片系统

技术领域

本实用新型涉及电动机械设计领域，具体涉及一种非转轴驱动的旋转叶片系统。

背景技术

旋转叶片常见诸于风扇叶片、风力发电机的风桨等，风扇叶片用旋转电动机驱动，风力发电机的风桨则是反过来用于驱动发电机，因此，旋转叶片可以视为一种电能与旋转机械能的转换装置，或一种旋转机械能与电能的转换装置。

非转轴驱动是齿轮常见的机械能传动形式，而驱动风扇叶片的常规技术是把电动机安装在转轴部位，利用电动机的转动带动叶片旋转。

风力发电机的风桨是用于驱动发电机，风桨转速越快，发电机获得的电能越大；实用场景中，大自然风力并非随时间平均分布，很多地区以阵风为主要特点，当风速不够时只能降低功率输出，现有技术对后端负载的稳压技术是以损耗能量为代价。随着储电库技术方案的成熟，不少风力发电机系统都配置了储电库。

研究认为，利用储电库电能并把风叶视为一个特殊“转子”，当风速不够时反过来给风桨加速，可使风桨的转速在风力较弱的阵风环境中得以保持一定下限，至少避免后端输出的能量波动过大。通常会认为，用电能助驱叶片反过来供电得不偿失，没有实用意义，实际上只要设计得当，非转轴驱动叶片的供电方式可以不连续，但被助驱的风叶却因运动惯性而获得连续旋转，可获得连续能量输出。

本申请针对这类旋转叶片应用场景的驱动控制技术方案而提出。

实用新型内容

本实用新型的技术目的，是针对现有旋转叶片的应用缺陷，在旋转叶片外缘增加设置永磁体，利用永磁体的周期运动特征，配合一种电磁装置，通过控制周期性发生的电磁力换取旋转叶片的转矩增量，提升电能利用率，工艺容易实现。

为实现上述技术目标，本实用新型提供了一种非转轴驱动的旋转叶片系统，该旋转叶片系统包括n片旋转叶片和电磁力发生装置；所述n片的旋转叶片环绕转轴均匀排布，其外缘设置有永磁体，n为≥2的正整数；电磁力发生装置设置在所述外缘部位驱动所述的n片旋转叶片绕转轴旋转。

上述技术方案中，所述在旋转叶片外缘设置的永磁体，其磁极线沿外缘的切线方向设置，或沿旋转叶片的转轴方向设置；n片旋转叶片上永磁体的磁极线以转轴为参照的排布方向相同。所述的磁极线，为永磁体及电磁装置通直流电产生的N/S两个磁极所确定的连线及其延长线。

上述技术方案中，所述的n片旋转叶片环绕转轴设置多层结构。每层旋转叶片的结构包括永磁体的排布方式相同。多层结构有利于小型紧凑系统的设计。

上述技术方案中，所述的n片旋转叶片的外缘设置有机械固定环。

上述技术方案中，所述的电磁力发生装置包括电磁装置、逻辑电源和信号传感器；所述的电磁装置包括磁芯和环绕磁芯设置的至少一组线圈；所述磁芯设置间隙m 相邻所述永磁体的旋转周线安装；所述线圈连接逻辑电源；所述信号传感器的信号输出端连接所述逻辑电源。

上述电磁力发生装置的技术方案中，所述的逻辑电源包括开关电路、控制模块和电源；电源分别连接开关电路、控制模块以及所述的信号传感器；开关电路的电源输出端连接所述电磁装置的电磁力线圈；所述的控制模块内贮有通电控制程序，其逻辑控制端连接开关电路，其逻辑信号输入端连接所述的信号传感器。

上述技术方案中，所述的信号传感器与所述逻辑电源一体化设计。所述的一体化设计，是把信号传感器的功能集成到所述的逻辑电源中。

以上所述的旋转叶片系统在实施中所需要的机械架件，在有效实现机械固定、支撑的前提下，所选用的材料和结构可以任意。

旋转叶片除了机械能驱动，最常见的电能驱动方式是使用电动机，如何更省电地控制旋转叶片系统是机电行业长期研究的目标之一。所述的旋转叶片系统，可以通过旋转叶片的转轴为下级负载提供机械能联动，例如驱动发电机。

本实用新型的优点在于：电磁装置是与设置在旋转叶片外缘的永磁体相互作用，从而把电源的电能通过磁相互作用变换为旋转叶片的转矩，当旋转叶片具有一定质量且转速足够时可充分运用其惯量，从而依据旋转叶片外缘的磁场脉动特点及其负载惯量状态提供一种通电控制的新思路，结构简单，电能转换效率高。

附图说明

图1a是永磁体的磁极线沿旋转叶片的法线方向设置的一种结构示意图；

图1b是永磁体的磁极线沿旋转叶片外缘切线方向设置的一种结构示意图；

图1c是永磁体的磁极线沿旋转叶片转轴方向设置的一种结构示意图；

图1d是图1c示例的局部侧视结构示意图；

图2a是环绕转轴设置两层结构的一种旋转叶片的结构示意图；

图2b是在旋转叶片外缘增加设置机械固定环的结构示意图；

图3a是所述旋转叶片和电磁力发生装置安装的一种局部结构示意图；

图3b是图3a示例的局部俯视结构示意图；

图4a是所述旋转叶片和电磁力发生装置安装的另一种局部结构示意图；

图4b是图4a示例的局部俯视结构示意图；

图5a是所述旋转叶片系统的一种主电路结构及逻辑控制关系示意图；

图5b是一种逻辑电源分立开关电路和控制模块的逻辑控制关系示意图；

图6a是所述基准法线的示意图；

图6b是所述基准时刻对应实时法线与基准法线重合状态的局部示意图；

图7a是基准时刻之前电磁极与相向永磁体的磁极相反的局部示意图；

图7b是基准时刻之后电磁极与相向永磁体的磁极相同的局部示意图；

图8a是基准时刻之前的磁作用力切向、法向分力及其矢量动态夹角的示意图；

图8b是基准时刻之后的磁作用力切向、法向分力及其矢量动态夹角的示意图。

附图标识：

1、电磁装置 2、逻辑电源 3、旋转叶片 3a、转轴 3b、外缘

3c、永磁体 3d、磁极线 4、信号传感器 5、法线 6、切线

8、基准法线 9、磁作用力线 m、间隙 N/S、磁极 t、时间

n、永磁体数 A、电流强度 T、周期时间 θ、动态夹角

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步对本实用新型的技术方案进行详细说明。

所述旋转叶片的基体指一类以绕轴旋转为特征的机械构件，由非磁性的固体成型材料制成；所述永磁体为磁钢、钕铁硼等一类本领域技术人员公知的材料。

所述旋转叶片3的结构特征是在外缘3b设置有永磁体3c，永磁体排布的磁极线 3d(由N、S两个磁极确定的连线及其延长线)典型特征可以有三种基本形式：例如磁极线3d沿法线5方向设置，其结构如图1a所示；或磁极线3d沿外缘的切线6方向设置，其结构如图1b所示；磁极线3d也可以沿转轴3a的方向设置，其结构如图 1c所示，其侧视示意如图1d所示。磁极线3d排布方向只是一种典型特征，实际设计中可偏转一定角度以配合旋转叶片的转速设计。永磁体3c优选形状相同，优选高磁通密度的产品，在不影响安装的前提下不限形状。

所述的旋转叶片3还可以设计为环绕转轴3a设置的多层结构，每层叶片的结构和永磁体3c排布方式相同，其一种环绕转轴设置两层结构的旋转叶片如图2a所示；设置多层结构的技术目标是配合设计多个电磁装置，满足一些紧凑型旋转叶片系统的设计要求。当旋转叶片较长并且质量较大，为了防止叶片变形以及固定永磁体的需要，可以在外缘增加设置机械固定环3e，其结构如图2b所示。

所述电磁力发生装置对所述旋转叶片3是采用非转轴驱动的形式；所述电磁装置1的功能是把直流电转换为电磁极，磁芯为本领域技术人员公知的一种在外磁场作用下可产生更强附加磁场的磁介质材料，优选导磁率较高的产品，磁芯形状任意，例如条形、凹型；线圈通常使用铜线或镀铜铝芯线，匝数越多，电磁作用越强。电磁装置相邻永磁体3c旋转周线安装的间隙m界定了不接触，同时隐含了间隙的技术要求。业内公知磁作用的间隙又称气隙，是磁体之间作用的能量通道，间隙越小越有利于磁作用传递，其取值与磁芯导磁率、线圈匝数、通电强度及永磁体的磁通量相关，小型装置一般设置1-2mm，大中型装置一般设置2-20mm。

所述电磁装置1设置至少一组线圈，包括一组，实用设计优选设置两组以上，其中一组以上为电磁力线圈，电连接逻辑电源2的直流电源输出端；另外一组以上为磁电感应线圈。根据旋转叶片3正常运行需要的电磁作用力，电磁力线圈可设置多个；根据对基准时刻精度及可靠性要求，磁电感应线圈也可设置多个，与此相应的信号传感器4设置多路信号输入端。

信号传感器4的功能是获得基准时刻信号，信号来源优选电磁装置的磁电感应线圈；也可以不采用磁电感应方式，例如变换为光电装置，通过在旋转叶片相应设计光源装置，与光电装置配合同样可实现采集基准时刻电信号的功能。信号传感器的电信号逻辑处理功能也可以与所述逻辑电源2一体化设计。

永磁体伴随旋转叶片旋转的运行轨迹是闭合圆周线，图3a是旋转叶片3和电磁力发生装置安装的一种结构示例，永磁体3c的磁极线3d沿旋转叶片的法线5方向排布，在旋转中与电磁装置1周期性相对，其局部俯视如图3b所示。图4a是旋转叶片和电磁力发生装置安装的另一种结构示例，永磁体3c的磁极线3d沿旋转叶片的转轴3a方向排布，当旋转叶片上的永磁体3c与电磁装置1在旋转中周期性相对，永磁体的磁极线3d与电磁装置1投影重合，其局部俯视如图4b所示。

逻辑电源2常规采用逻辑数字技术及运算电路实现，其子模块一般包括：逻辑接口电路、内贮有通电控制程序的微处理器和信号输入处理电路以及外围电路等，能通过输入信号进行相应的数模变换并根据设定的控制逻辑输出时序电流，内贮可供编程。目前市场有较多集成模块产品，通过编程一般可满足工作要求。逻辑电源2 与电磁装置1、信号传感器4的一种主电路结构及控制关系如图5a所示；当一体化模块不能满足大功率输出时，可把逻辑电源分立大功率开关电路配合控制模块以满足具体设计要求，其一种主电路结构及逻辑控制关系如图5b所示。

永磁体伴随旋转叶片旋转为外缘周围空间提供了一个周期性脉动磁场，磁电感应线圈可把该脉动磁场变换为电信号反馈给信号传感器，技术目标是采集基准时刻，也可以采用光电装置配合旋转叶片相应设计的光源实现。所述由旋转叶片的转轴3a 与所述磁芯的位置连线确定的基准法线8如图6a所示，基准时刻可依据永磁体3c 前转至基准法线8的传感信号而得出，即使信号精度相对较低，信号传感器仍可获得一个强弱随时间正态分布的电信号，在对应永磁体旋转的实时法线5与基准法线8 重合状态可获得信号最大值，该信号最大值的时刻判定为基准时刻。

逻辑电源2输出的脉冲直流电通过电磁装置1对应产生的是脉冲电磁极，所述在基准时刻之前或/和基准时刻之后的时域内提供直流电，不包括基准时刻供电，基准时刻对应为永磁体旋转的实时法线5与基准法线8重合状态，此时永磁体受到的磁作用力无切向分力，对旋转叶片前转无益，如图6b所示。

所述的使旋转叶片获得前转增量，对应了逻辑电源2对电磁装置1的供电时域、电流方向/电磁极方向的多重技术限定含义：要使旋转叶片获得前转增量，供电电流方向对应的电磁极的极性必须在基准时刻之前与相向永磁体3c的磁极相反(如图7a 所示)，或在基准时刻之后与相向永磁体的磁极相同(如图7b所示)，否则电磁装置通电产生的电磁极不能使旋转叶片获得前转增量。获得前转增量还隐含了：如果电磁装置产生的电磁极与相向永磁体的距离太远，不再存在明显的电磁力作用，此时逻辑电源对电磁装置的供电属于无前转增量可言，白浪费电能。

逻辑电源对应旋转叶片每个旋转周期的脉冲电流周期数，与旋转叶片的片数n 直接相关，例如逻辑电源对应2个旋转叶片相应设置2个脉冲电流周期，对应8个旋转叶片相应设置8个脉冲电流周期。由于永磁体在旋转叶片上均匀排布，逻辑电源2只要获知任一个基准时刻与上一个基准时刻的间隔时间，即可获知旋转叶片的当前速率，进而根据信号传感器的信号指令提供周期脉冲电流。

图8a和图8b分别是在基准时刻之前和基准时刻之后永磁体3c与电磁装置1之间磁作用力线9的切向、法向分力方向及其矢量动态夹角θ示意图，可见即使在基准时刻之前、后，永磁体所受到电磁装置的磁作用力除了在基准时刻无切向分力，在电磁作用力的有效范围内同时并存切向分力(增益来源)和法向分力(无增益)，此消彼长，优选设计的原则是多利用切向分力、少做无用功。

通过控制对电磁装置1提供周期脉冲电流的频率，即可以控制旋转叶片运行在所预设的实时转速。

旋转叶片的变形设计众多，包括同一旋转叶片系统可设置多片旋转叶片，还可设置多层的旋转叶片，也可以设置多个电磁装置进行匹配，或对多个电磁装置分立多个逻辑电源组合控制，该类变形实施为本领域技术人员所容易理解。所述逻辑电源的电源来源可以是市网交流电，也可以是风能、太阳能或电池提供的电源，包括在旋转叶片系统负载端通过智能控制技术收集的电源。

所述的优选例仅为推荐，若干技术方案可部分使用，也可加入或组合并用其他成熟技术，即可实现本实用新型技术方案的基本目标。

实施例1、

设计一种本实用新型所述的非转轴驱动的旋转叶片系统，包括电磁装置1、逻辑电源2、信号传感器4和设计为空气交换用的两片旋转叶片3。

旋转叶片的长度为70Cm，外缘3b宽8Cm，厚3Cm，在外缘设置有1个面积8× 3Cm、厚1Cm的永磁体3c，两片旋转叶片相隔180度排布，磁极线3d沿转轴3a排布。

电磁装置1包括凹形磁芯和两组线圈，磁芯采用高导磁率的特种稀土材料制成，其中一组电磁力线圈由铜导线(载流100A以上)环绕磁芯而成，绕组200匝以上，具体匝数根据实验调整；另一组磁电感应线圈由直径小于0.4mm的铜导线环绕磁芯而成，绕组60匝以上，具体匝数根据信号传感器4的精度实验调整。

逻辑电源2包括包括开关电路、控制模块和一组铅酸蓄电池的电源；电源连接开关电路、控制模块和所述的信号传感器4；控制模块内贮有通电控制程序，其逻辑控制端连接逻辑电源2中的开关电路，其信号输入端连接信号传感器4；开关电路的电源输出端连接电磁装置1的电磁力线圈。信号传感器4的输出控制端连接逻辑电源2中的控制模块，信号输入端连接电磁装置1的磁电感应线圈；信号传感器可将所述磁电感应线圈提供的模拟电流转换为数字控制信号；信号传感器4和逻辑电源2、电磁装置1的主电路结构及逻辑控制关系如图5b所示。

本实施例安装时，电磁装置1的磁芯固定在旋转叶片3上永磁体3c运动周线的相邻部位，间隙m为2.2mm(具体根据实验调整)。

本实施例中，旋转叶片的转轴与电磁装置的磁芯位置连线构成了本实用新型所述的基准法线；预设控制旋转叶片的实时旋转周期T为2秒(0.5转/秒)，当旋转叶片开始前转(根据具体需要设置启动机)，信号传感器获得磁电感应线圈给出的基准时刻信号，从而在基准时刻起计第30毫秒对所述控制模块发出逻辑指令，导通所述开关电路对电磁装置1的电磁力线圈提供50毫秒直流电，使电磁装置产生N极，与相向永磁体产生同性相斥作用，使旋转叶片获得前转增益而惯性旋转。

逻辑电源通过内置通电控制程序对周期性脉冲电流的时域重复校正，依次记录基准时刻的间隔时间，通过与上一次间隔时间比较，获知旋转叶片的当前转速，从而根据信号传感器设定的重复指令结合当前转速相应调整通电时域，经多次的周期性磁相斥作用使所述空气交换用的两片旋转叶片运行在0.5转/秒。

实施例2、

在实施例1的基础上进行控制技术方案改进，逻辑电源2的内贮通电控制程序增设旋转叶片3运行在0.5转/秒工况的转速上限和下限。当旋转叶片的转速达到所设定的0.55转/秒上限，控制逻辑电源2暂停供电；当旋转叶片的转速降到所设定的0.45转/秒下限，控制逻辑电源2重新启动对电磁装置1供电。

实施例3、

对实施例2进行技术扩展：逻辑电源2的控制模块扩充为一个多路电源7来源的电能分配管理系统，信号传感器4内置有储电堆的智能充电管理程序，电源7的输入端分别在风电、太阳能装置、储电堆以及旋转叶片3负载端选取连接。

本实施例可实现多种来源电源对所述旋转叶片系统的安全运行保障。

实施例4、

将实施例3的旋转叶片系统进一步推广应用，用所述的旋转叶片3驱动一台功率匹配的旋转发电机，发电机转轴与旋转叶片的转轴3a之间设置有磁悬浮传动装置；发电机的电源输出端分流连接控制模块的电源输入端；控制系统的功能包括电能分配和智能化充电管理，其电源输出端连接二次储电堆或/和电磁装置1。

本实施例所述的旋转叶片系统可实现对多种来源电源的综合利用。

Claims (5)

1.一种非转轴驱动的旋转叶片系统，其特征在于，包括n片旋转叶片(3)和电磁力发生装置；所述n片的旋转叶片(3)环绕转轴(3a)均匀排布，其外缘(3b)设置有永磁体(3c)，磁极线(3d)沿外缘的切线(6)方向设置，或沿旋转叶片(3)的转轴(3a)方向设置；n为≥2的正整数；所述的电磁力发生装置包括电磁装置(1)、逻辑电源(2)和信号传感器(4)；信号传感器(4)的信号输出端连接逻辑电源(2)；电磁装置(1)包括磁芯和环绕磁芯设置的至少一组线圈；线圈连接逻辑电源(2)；磁芯设置间隙m相邻所述永磁体(3c)的旋转周线安装。

2.根据权利要求1所述的旋转叶片系统，其特征在于，所述的n片旋转叶片(3)环绕转轴(3a)设置多层结构。

3.根据权利要求1所述的旋转叶片系统，其特征在于，所述的n片旋转叶片(3)的外缘(3b)设置有机械固定环(3e)。

4.根据权利要求1所述的旋转叶片系统，其特征在于，所述的逻辑电源(2)包括开关电路、控制模块和电源；电源分别连接开关电路、控制模块以及所述的信号传感器(4)；开关电路的电源输出端连接所述电磁装置(1)的电磁力线圈；所述的控制模块内贮有通电控制程序，其逻辑控制端连接开关电路，其逻辑信号输入端连接所述的信号传感器(4)。

5.根据权利要求1所述的旋转叶片系统，其特征在于，所述的信号传感器(4)与所述逻辑电源(2)一体化设计。

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