风力发电一体机

摘要

风力发电一体机，包括非通磁材料的垂直轴风扇，其轴设置在上部的扇盖和下部的扇座之间，所述扇盖和扇座的内侧各设有数个永磁体，所述永磁体围绕风扇轴周向均匀布置，所述永磁体在靠近风扇轴处与远离风扇轴处的极性相反，所述永磁体N极与永磁体S极均绕设有线圈；所述垂直轴风扇的扇叶上下两端分别设有软磁材料的扇叶上缘、扇叶下缘，所述扇叶上、下缘的形状与永磁体的形状相同，所述永磁体N极、扇叶上缘或下缘、永磁体S极形成带有气隙的多个个闭合主磁路。风扇转动时，各主磁路中的磁通变化，各线圈的磁通量将随之增大或减小，进而产生交流电动势。本发明的有益效果：结构紧凑、体积小、能量转换率高、节能环保。

权利要求

1.风力发电一体机，其特征在于：包括一垂直轴风扇，所述垂直轴风扇的轴设置在上部的扇盖和下部的扇座之间，所述扇盖上的四壁是镂空的，所述扇盖和扇座的内侧各设有数个永磁体，所述永磁体围绕风扇轴周向均匀布置，所述永磁体在靠近风扇轴处与远离风扇轴处的极性相反，所述永磁体N极与永磁体S极均绕设有线圈；所述垂直轴风扇是非通磁材料，所述垂直轴风扇的扇叶的上、下两端分别设有扇叶上缘、扇叶下缘，所述扇叶上、下缘是软磁材料，所述扇叶上、下缘的形状与永磁体的形状相同；所述永磁体与扇叶上缘、扇叶下缘之间分别有气隙，所述扇盖上永磁体N极、气隙、扇叶上缘、气隙、永磁体S极再回到永磁体N极可形成数个闭合主磁路，所述扇座上永磁体N极、气隙、扇叶下缘、气隙、永磁体S极再回到永磁体N极可形成数个闭合主磁路。

2.根据权利要求1所述的风力发电一体机，其特征在于：所述扇叶的上下两端均设有一U型固定口，所述扇叶上缘、扇叶下缘分别通过卡座固定在扇叶的上、下两端的固定口上。

3.根据权利要求2所述的风力发电一体机，其特征在于：所述扇盖和扇座上的永磁体数目分别与扇叶的数目相同。

4.根据权利要求2所述的风力发电一体机，其特征在于：所述扇盖和扇座上的永磁体数目分别是扇叶数目的两倍。

说明书

风力发电一体机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种风力发电一体机，尤其是适用于无线传感器网络和分布式小系统的风力发电一体机。

背景技术

[0002] 随着无线传感器网络、分布式小系统和互联网的产生和发展，分散于各处并组成上述系统的节点的供电问题成为一个难题。这些节点一般需要有各自独立的供电装置，使用较多的是电池。但电池的电量有限，对无线传感器节点即使采用了低功耗设计，一般也只能维持数月，电池的寿命成为节点寿命的瓶颈；同时无线传感器节点大多不回收，所以节点携带的化学电池引起的二次污染势必成为环境的重大威胁。因此，利用新能源给无线传感器节点供电势在必行。

[0003] 对一些运动物体，如飞行中的鸟类和行进中的汽车，可为依附其上的用于科学研究或跟踪侦查等目的无线传感器网络节点提供稳定的风源。另一种情况是使用自然风能或与太阳能等其他可再生能源配合为无线传感器网络节点提供能源。传统风力发电装置通常由风扇、变速器和发电机组成。例如发明专利200680021096.3，由风扇带动转轴转动，并通过行星齿轮变速后用发电机发电。再如发明专利200680016461.1把垂直轴风扇安装在3个环状结构上，风扇旋转时环旋转并带动交流发电机发电。传统的风力发电机其用途一般是提供电力，甚至可并网发电，而其体积一般也较大。而在无线传感器节点和分布式小系统中一般功耗较小，但要求供电系统的体积较小，故传统风力发电机不适宜直接移植到为无线传感器网络和分布式小系统供电。

发明内容

[0004] 本发明要解决传统风力发电机不适宜为无线传感器网络和分布式小系统供电的问题，提供了一种适宜为无线传感器网络和分布式小系统供电的风力发电一体机。

[0005] 风力发电一体机，其特征在于：包括一垂直轴风扇，所述垂直轴风扇的轴设置在上部的扇盖和下部的扇座之间，所述扇盖上的四壁是镂空的，所述扇盖和扇座的内侧各设有数个永磁体，所述永磁体围绕风扇轴周向均匀布置，所述永磁体在靠近风扇轴处与远离风扇轴处的极性相反，所述永磁体N极与永磁体S极均绕设有线圈；所述垂直轴风扇是非通磁材料，所述垂直轴风扇的扇叶的上、下两端分别设有扇叶上缘、扇叶下缘，所述扇叶上、下缘是软磁材料，所述扇叶上、下缘的形状与永磁体的形状相同；所述永磁体与扇叶上缘、扇叶下缘之间分别有气隙，所述扇盖上永磁体N极、气隙、扇叶上缘、气隙、永磁体S极再回到永磁体N极可形成数个闭合主磁路，所述扇座上永磁体N极、气隙、扇叶下缘、气隙、永磁体S极再回到永磁体N极可形成数个闭合主磁路。

[0006] 本发明考虑到无线传感器节点一般要求体积较小，因此提出一种将风扇与发电装置一体化的设计，使风扇本身成为发电装置的一部分，从而较大幅度地减小发电装置的体积。另一方面，风力发电装置产生的电动势不宜过低，否则不能为发电机后面的电路提供足够的能源；而从发电机的原理看，单就发电装置来说为产生较高电动势希望发电装置有较大尺寸或转子的旋转速度较高。转子旋转速度高要求自然风速较高或运动物体速度较快，均非发电装置本身可以干预的因素；但风扇和发电装置的一体化使发电装置尺寸相对地达到其可以达到的最大程度，从而提高所产生的电动势。

[0007] 本发明中采用了垂直轴风扇，垂直轴风扇能够利用各个方向的风能，同时使得该装置的安装位置、方向和精度上比较自由。可以将本发明作为无线传感节点的一部分，其产生的电能可用于为无线传感器提供能量。

[0008] 本发明将风扇与发电装置合为一体，其结构与一般风扇有较大区别。下面陈述本发明的设计特点。

[0009] 本发明所述的风力发电一体机其外壳由扇盖和扇座组成，扇盖上的四面扇壁镂空，以便于本发明可以利用各个方向的风源。扇盖和扇座的内侧各设有6个永磁体，所述永磁体围绕风扇轴周向均匀布置，永磁体在靠近风扇轴处与远离风扇轴处的极性相反。在扇盖和扇座间有垂直轴风扇。垂直轴风扇为非导磁材质；垂直轴风扇采用特殊形式，其每一片扇叶在普通扇叶基础上其上下分别延伸出平行于永磁体内侧面的软磁材料的扇叶上缘和扇叶下缘，所述扇叶上缘、扇叶下缘分别通过卡座固定在扇叶的上、下两端的U型固定口上。如果永磁体在靠近风扇轴处为N而远离风扇轴处为S，靠近扇盖处，磁力线可以从永磁体N极、经扇叶上缘到达永磁体S极；靠近扇座处，磁力线可以从永磁体N极、经扇叶下缘到达永磁体S极。为垂直轴风扇能良好转动，永磁体与垂直轴风扇间有个小气隙。最终可形成从永磁体N极、气隙、扇叶上缘或扇叶下缘、气隙、永磁体S极再回到永磁体N极的12个闭合主磁路。当风扇转动时，永磁体与扇叶上缘或下缘重合的部分也随之变化，该主磁路中的磁通同时不断变化，主磁路的变化频率为风扇转动频率的6倍。

[0010] 所述永磁体N极与永磁体S极均绕设有线圈；当风扇转动，主磁路磁通不断变化，从而经过线圈的磁通发生变化，线圈的形状与风扇上下缘形状匹配使磁通变化与风扇角速度大致成正比。于是在线圈中应产生电流以抵抗上述磁通变化，收集线圈中产生的电流即达到发电的效果。各线圈之间串接以提高发电电动势。

[0011] 布置在扇盖和扇座内侧面的永磁体的数目可以分别等于扇叶数，也可以分别为扇叶数的两倍。

[0012] 综上所述，本发明的有益效果有：

[0013] 1.将风扇和发电装置一体化，风扇扇叶上下缘采用软磁材料，结构简单紧凑，体积小，适合在无线传感器网络和分布式小系统的应用需求；

[0014] 2.风扇和发电装置一体化后，其尺寸效应，有利于提高发电装置效能；

[0015] 3.装置中可形成多个带小气隙的闭合主磁路，主磁路总磁通变化量大，能量转换率高；

[0016] 4.本发明一方面利用可再生能源，可以节约能源；另一方面可大量减少使用电池，保护环境。

附图说明

[0017] 图1为本发明沿图2中A-A向的剖视图。

[0018] 图2为本发明沿图1中B-B向的剖视图。

[0019] 图3为本发明扇叶的横剖视图。

具体实施方式

[0020] 实施例一

[0021] 参照图1-3，本发明所述的风力发电一体机，包括垂直轴风扇3，所述非通磁材料的垂直轴风扇3通过轴6和轴承5安装在上部的扇盖1和下部的扇座2之间。所述的扇盖1通过四个卡座8安装在扇座2上。所述的扇盖1和扇座2的内侧均设有永磁体4，所述永磁体4包括永磁体N极41和永磁体S极42。所述永磁体4围绕风扇轴6周向均匀布置，通过粘接的方式固定在扇盖1或扇座2上，扇座1和扇盖2上可以有一些小突起以利于永磁体4定位。所述的永磁体N极41和永磁体S极均绕设线圈7，线圈也可采用粘接的方式固定在永磁体4上。所述垂直轴风扇3上的每个扇叶9，与普通扇叶不同，有扇叶上缘10和扇叶下缘11，所述扇叶上缘10、扇叶下缘11分别通过卡座12固定在扇叶9的上、下两端的U型固定口上。所述扇叶上缘10、扇叶下缘11均为软磁材料制成。所述的软磁材料是由矫顽力很小(HC＜102A/m)的铁磁材料制成。因为这种材料的矫顽力小，所以容易磁化，也容易退磁，磁滞损耗小，适合用到交变磁场中。纯铁、硅钢等材料都是软磁材料。因为本装置常应用于户外，所以这些软磁材料具有一定的防腐蚀性，表面镀一层防腐蚀剂即可。扇叶上缘10在所述的扇盖1上的投影以及扇叶下缘11在扇座2上的投影的面积等于所述的永磁体4的面积，其形状也相互匹配。所述永磁体上线圈7间应串接，串接方向应保证在风扇转动时各线圈产生的电动势不互相抵消。从所述永磁体N极41、扇叶上缘10(扇叶下缘11)、永磁体S极42回到永磁体N极41形成带有小气隙的两个闭合主磁路，这里的气隙是指扇叶上缘10到扇盖1上永磁体4内侧面及扇叶下缘11到扇座2上永磁体4内侧面之间的空隙，两气隙宽度应在0.3mm以下，以获得较大的磁感应强度。

[0022] 所述的扇盖1、扇座2上的永磁体4的数目分别与所述扇叶9的数目相同。

[0023] 所述扇盖1上的四壁均为空的。

[0024] 下面说明本风力发电一体机的工作原理。当风扇3不转动时，每一个线圈7中的磁通均不发生变化，此时线圈7中不能产生电流，从而不能产生电能。当风扇3遇风转动时，风扇扇叶下缘11与扇座2上的线圈7的相对位置随扇叶的转动会发生变化，所有扇叶下缘11投影到扇座2上永磁体4的区域与扇座2的永磁体4上所有线圈7所围区域的相交部分面积也经历0到所有线圈所围总面积的往复变化。假设风扇有6片扇叶，则这种变化的频率是风扇转动频率的6倍。同时上述通过扇座2的永磁体4上所有线圈7的总磁通大致上正比于相交部分的面积，故总磁通的变化率大致上正比于相交部分面积变化率，相交部分面积变化率正比于风扇的转速，而由电磁感应基本定理，扇座2的永磁体4上所有线圈7的总磁通的变化率正比于线圈7中产生的电动势。故线圈中产生的电动势大致上正比于风扇转速。综合上述分析线圈中可产生交变电流，而扇座2的永磁体4上所有线圈7正确串接后即可获得的电动势为单个线圈7产生电动势的6倍。扇叶上缘10与扇盖1的永磁体4上的线圈7的情况也类似。值得注意的是扇叶上缘10与下缘11间存在一定角度差，因此扇盖1上线圈7与扇座2上线圈7间也应有同样的角度差。在此基础上，上述两组在扇盖
1、扇座2上的线圈7间也应正确串接，获得的电动势为单个线圈7产生电动势的12倍。为了得到直流电利用电路板整流电路实现交流电变直流电以便于充电。

[0025] 实施例二

[0026] 本实施例与实施例一的不同之处在于所述扇盖1和扇座2上的永磁体4数目分别是扇叶9数目的两倍。与实施例一一样假设风扇3中包含6片扇叶，作类似于实施例一的分析，获得的总电动势为每个线圈7产生电动势的24倍。

[0027] 本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。