風力發電一體機的製作方法
2023-06-11 03:33:21
專利名稱：風力發電一體機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種風力發電一體機，尤其是適用於無線傳感器網絡和分布式小系統
的風力發電一體機。
背景技術：
隨著無線傳感器網絡、分布式小系統和網際網路的產生和發展，分散於各處並組成上述系統的節點的供電問題成為一個難題。這些節點一般需要有各自獨立的供電裝置，使用較多的是電池。但電池的電量有限，對無線傳感器節點即使採用了低功耗設計，一般也只能維持數月，電池的壽命成為節點壽命的瓶頸；同時無線傳感器節點大多不回收，所以節點攜帶的化學電池引起的二次汙染勢必成為環境的重大威脅。因此，利用新能源給無線傳感器節點供電勢在必行。 對一些運動物體，如飛行中的鳥類和行進中的汽車，可為依附其上的用於科學研究或跟蹤偵查等目的無線傳感器網絡節點提供穩定的風源。另一種情況是使用自然風能或與太陽能等其他可再生能源配合為無線傳感器網絡節點提供能源。傳統風力發電裝置通常由風扇、變速器和發電機組成。例如發明專利200680021096. 3，由風扇帶動轉軸轉動，並通過行星齒輪變速後用發電機發電。再如發明專利200680016461. 1把垂直軸風扇安裝在3個環狀結構上，風扇旋轉時環旋轉並帶動交流發電機發電。傳統的風力發電機其用途一般是提供電力，甚至可併網發電，而其體積一般也較大。而在無線傳感器節點和分布式小系統中一般功耗較小，但要求供電系統的體積較小，故傳統風力發電機不適宜直接移植到為無線傳感器網絡和分布式小系統供電。
發明內容
本發明要解決傳統風力發電機不適宜為無線傳感器網絡和分布式小系統供電的
問題，提供了一種適宜為無線傳感器網絡和分布式小系統供電的風力發電一體機。
風力發電一體機，其特徵在於包括一垂直軸風扇，所述垂直軸風扇的軸設置在上
部的扇蓋和下部的扇座之間，所述扇蓋上的四壁是鏤空的，所述扇蓋和扇座的內側各設有
數個永磁體，所述永磁體圍繞風扇軸周向均勻布置，所述永磁體在靠近風扇軸處與遠離風
扇軸處的極性相反，所述永磁體N極與永磁體S極均繞設有線圈；所述垂直軸風扇是非通磁
材料，所述垂直軸風扇的扇葉的上、下兩端分別設有扇葉上緣、扇葉下緣，所述扇葉上、下緣
是軟磁材料，所述扇葉上、下緣的形狀與永磁體的形狀相同；所述永磁體與扇葉上緣、扇葉
下緣之間分別有氣隙，所述扇蓋上永磁體N極、氣隙、扇葉上緣、氣隙、永磁體S極再回到永
磁體N極可形成數個閉合主磁路，所述扇座上永磁體N極、氣隙、扇葉下緣、氣隙、永磁體S
極再回到永磁體N極可形成數個閉合主磁路。 本發明考慮到無線傳感器節點一般要求體積較小，因此提出一種將風扇與發電裝置一體化的設計，使風扇本身成為發電裝置的一部分，從而較大幅度地減小發電裝置的體積。另一方面，風力發電裝置產生的電動勢不宜過低，否則不能為發電機後面的電路提供足
3夠的能源；而從發電機的原理看，單就發電裝置來說為產生較高電動勢希望發電裝置有較大尺寸或轉子的旋轉速度較高。轉子旋轉速度高要求自然風速較高或運動物體速度較快，均非發電裝置本身可以幹預的因素；但風扇和發電裝置的一體化使發電裝置尺寸相對地達到其可以達到的最大程度，從而提高所產生的電動勢。 本發明中採用了垂直軸風扇，垂直軸風扇能夠利用各個方向的風能，同時使得該裝置的安裝位置、方向和精度上比較自由。可以將本發明作為無線傳感節點的一部分，其產生的電能可用於為無線傳感器提供能量。 本發明將風扇與發電裝置合為一體，其結構與一般風扇有較大區別。下面陳述本發明的設計特點。 本發明所述的風力發電一體機其外殼由扇蓋和扇座組成，扇蓋上的四面扇壁鏤空，以便於本發明可以利用各個方向的風源。扇蓋和扇座的內側各設有6個永磁體，所述永磁體圍繞風扇軸周向均勻布置，永磁體在靠近風扇軸處與遠離風扇軸處的極性相反。在扇蓋和扇座間有垂直軸風扇。垂直軸風扇為非導磁材質；垂直軸風扇採用特殊形式，其每一片扇葉在普通扇葉基礎上其上下分別延伸出平行於永磁體內側面的軟磁材料的扇葉上緣和扇葉下緣，所述扇葉上緣、扇葉下緣分別通過卡座固定在扇葉的上、下兩端的U型固定口上。如果永磁體在靠近風扇軸處為N而遠離風扇軸處為S，靠近扇蓋處，磁力線可以從永磁體N極、經扇葉上緣到達永磁體S極；靠近扇座處，磁力線可以從永磁體N極、經扇葉下緣到達永磁體S極。為垂直軸風扇能良好轉動，永磁體與垂直軸風扇間有個小氣隙。最終可形成從永磁體N極、氣隙、扇葉上緣或扇葉下緣、氣隙、永磁體S極再回到永磁體N極的12個閉合主磁路。當風扇轉動時，永磁體與扇葉上緣或下緣重合的部分也隨之變化，該主磁路中的磁通同時不斷變化，主磁路的變化頻率為風扇轉動頻率的6倍。 所述永磁體N極與永磁體S極均繞設有線圈；當風扇轉動，主磁路磁通不斷變化，從而經過線圈的磁通發生變化，線圈的形狀與風扇上下緣形狀匹配使磁通變化與風扇角速度大致成正比。於是在線圈中應產生電流以抵抗上述磁通變化，收集線圈中產生的電流即達到發電的效果。各線圈之間串接以提高發電電動勢。 布置在扇蓋和扇座內側面的永磁體的數目可以分別等於扇葉數，也可以分別為扇葉數的兩倍。
綜上所述，本發明的有益效果有 1.將風扇和發電裝置一體化，風扇扇葉上下緣採用軟磁材料，結構簡單緊湊，體積小，適合在無線傳感器網絡和分布式小系統的應用需求； 2.風扇和發電裝置一體化後，其尺寸效應，有利於提高發電裝置效能； 3.裝置中可形成多個帶小氣隙的閉合主磁路，主磁路總磁通變化量大，能量轉換
率高； 4.本發明一方面利用可再生能源，可以節約能源；另一方面可大量減少使用電池，保護環境。
圖1為本發明沿圖2中A-A向的剖視圖。
圖2為本發明沿圖1中B-B向的剖視圖。
圖3為本發明扇葉的橫剖視圖。
具體實施方式
實施例一 參照圖l-3，本發明所述的風力發電一體機，包括垂直軸風扇3，所述非通磁材料的垂直軸風扇3通過軸6和軸承5安裝在上部的扇蓋1和下部的扇座2之間。所述的扇蓋1通過四個卡座8安裝在扇座2上。所述的扇蓋1和扇座2的內側均設有永磁體4，所述永磁體4包括永磁體N極41和永磁體S極42。所述永磁體4圍繞風扇軸6周向均勻布置，通過粘接的方式固定在扇蓋1或扇座2上，扇座1和扇蓋2上可以有一些小突起以利於永磁體4定位。所述的永磁體N極41和永磁體S極均繞設線圈7，線圈也可採用粘接的方式固定在永磁體4上。所述垂直軸風扇3上的每個扇葉9，與普通扇葉不同，有扇葉上緣10和扇葉下緣ll，所述扇葉上緣10、扇葉下緣11分別通過卡座12固定在扇葉9的上、下兩端的U型固定口上。所述扇葉上緣10、扇葉下緣11均為軟磁材料製成。所述的軟磁材料是由矯頑力很小(HC<102A/m)的鐵磁材料製成。因為這種材料的矯頑力小，所以容易磁化，也容易退磁，磁滯損耗小，適合用到交變磁場中。純鐵、矽鋼等材料都是軟磁材料。因為本裝置常應用於戶外，所以這些軟磁材料具有一定的防腐蝕性，表面鍍一層防腐蝕劑即可。扇葉上緣10在所述的扇蓋1上的投影以及扇葉下緣11在扇座2上的投影的面積等於所述的永磁體4的面積，其形狀也相互匹配。所述永磁體上線圈7間應串接，串接方向應保證在風扇轉動時各線圈產生的電動勢不互相抵消。從所述永磁體N極41、扇葉上緣10(扇葉下緣11)、永磁體S極42回到永磁體N極41形成帶有小氣隙的兩個閉合主磁路，這裡的氣隙是指扇葉上緣10到扇蓋1上永磁體4內側面及扇葉下緣11到扇座2上永磁體4內側面之間的空隙，兩氣隙寬度應在0. 3mm以下，以獲得較大的磁感應強度。 所述的扇蓋1、扇座2上的永磁體4的數目分別與所述扇葉9的數目相同。
所述扇蓋l上的四壁均為空的。 下面說明本風力發電一體機的工作原理。當風扇3不轉動時，每一個線圈7中的磁通均不發生變化，此時線圈7中不能產生電流，從而不能產生電能。當風扇3遇風轉動時，風扇扇葉下緣11與扇座2上的線圈7的相對位置隨扇葉的轉動會發生變化，所有扇葉下緣11投影到扇座2上永磁體4的區域與扇座2的永磁體4上所有線圈7所圍區域的相交部分面積也經歷0到所有線圈所圍總面積的往復變化。假設風扇有6片扇葉，則這種變化的頻率是風扇轉動頻率的6倍。同時上述通過扇座2的永磁體4上所有線圈7的總磁通大致上正比於相交部分的面積，故總磁通的變化率大致上正比於相交部分面積變化率，相交部分面積變化率正比於風扇的轉速，而由電磁感應基本定理，扇座2的永磁體4上所有線圈7的總磁通的變化率正比於線圈7中產生的電動勢。故線圈中產生的電動勢大致上正比於風扇轉速。綜合上述分析線圈中可產生交變電流，而扇座2的永磁體4上所有線圈7正確串接後即可獲得的電動勢為單個線圈7產生電動勢的6倍。扇葉上緣10與扇蓋1的永磁體4上的線圈7的情況也類似。值得注意的是扇葉上緣10與下緣11間存在一定角度差，因此扇蓋1上線圈7與扇座2上線圈7間也應有同樣的角度差。在此基礎上，上述兩組在扇蓋1、扇座2上的線圈7間也應正確串接，獲得的電動勢為單個線圈7產生電動勢的12倍。為了得到直流電利用電路板整流電路實現交流電變直流電以便於充電。
實施例二 本實施例與實施例一的不同之處在於所述扇蓋1和扇座2上的永磁體4數目分別 是扇葉9數目的兩倍。與實施例一一樣假設風扇3中包含6片扇葉，作類似於實施例一的 分析，獲得的總電動勢為每個線圈7產生電動勢的24倍。 本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護 範圍的不應當被視為僅限於實施例所陳述的具體形式，本發明的保護範圍也及於本領域技 術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。
權利要求
風力發電一體機，其特徵在於包括一垂直軸風扇，所述垂直軸風扇的軸設置在上部的扇蓋和下部的扇座之間，所述扇蓋上的四壁是鏤空的，所述扇蓋和扇座的內側各設有數個永磁體，所述永磁體圍繞風扇軸周向均勻布置，所述永磁體在靠近風扇軸處與遠離風扇軸處的極性相反，所述永磁體N極與永磁體S極均繞設有線圈；所述垂直軸風扇是非通磁材料，所述垂直軸風扇的扇葉的上、下兩端分別設有扇葉上緣、扇葉下緣，所述扇葉上、下緣是軟磁材料，所述扇葉上、下緣的形狀與永磁體的形狀相同；所述永磁體與扇葉上緣、扇葉下緣之間分別有氣隙，所述扇蓋上永磁體N極、氣隙、扇葉上緣、氣隙、永磁體S極再回到永磁體N極可形成數個閉合主磁路，所述扇座上永磁體N極、氣隙、扇葉下緣、氣隙、永磁體S極再回到永磁體N極可形成數個閉合主磁路。
2. 根據權利要求1所述的風力發電一體機，其特徵在於所述扇葉的上下兩端均設有一U型固定口，所述扇葉上緣、扇葉下緣分別通過卡座固定在扇葉的上、下兩端的固定口上。
3. 根據權利要求2所述的風力發電一體機，其特徵在於所述扇蓋和扇座上的永磁體數目分別與扇葉的數目相同。
4. 根據權利要求2所述的風力發電一體機，其特徵在於所述扇蓋和扇座上的永磁體數目分別是扇葉數目的兩倍。
全文摘要
風力發電一體機，包括非通磁材料的垂直軸風扇，其軸設置在上部的扇蓋和下部的扇座之間，所述扇蓋和扇座的內側各設有數個永磁體，所述永磁體圍繞風扇軸周向均勻布置，所述永磁體在靠近風扇軸處與遠離風扇軸處的極性相反，所述永磁體N極與永磁體S極均繞設有線圈；所述垂直軸風扇的扇葉上下兩端分別設有軟磁材料的扇葉上緣、扇葉下緣，所述扇葉上、下緣的形狀與永磁體的形狀相同，所述永磁體N極、扇葉上緣或下緣、永磁體S極形成帶有氣隙的多個個閉合主磁路。風扇轉動時，各主磁路中的磁通變化，各線圈的磁通量將隨之增大或減小，進而產生交流電動勢。本發明的有益效果結構緊湊、體積小、能量轉換率高、節能環保。
文檔編號H02K7/18GK101782043SQ20101011933
公開日2010年7月21日 申請日期2010年1月21日 優先權日2010年1月21日
發明者何熊熊, 張端, 郭慧賢 申請人:浙江工業大學