專利名稱：具有帶線圈扇葉的風力發(fā)電一體機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有帶線圈扇葉的風力發(fā)電一體機，尤其是適用于無線傳感器網(wǎng)
絡和分布式小系統(tǒng)的具有帶線圈扇葉的風力發(fā)電一體機。
背景技術：
隨著無線傳感器網(wǎng)絡、分布式小系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生和發(fā)展，分散于各處并組成 上述系統(tǒng)的節(jié)點的供電問題成為一個難題。這些節(jié)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(jié)點即使采用了低功耗設計，一般也只 能維持數(shù)月，電池的壽命成為節(jié)點壽命的瓶頸；同時無線傳感器節(jié)點大多不回收，所以節(jié)點 攜帶的化學電池引起的二次污染勢必成為環(huán)境的重大威脅。因此，利用新能源給無線傳感 器節(jié)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，可為依附其上的用于科學研 究或跟蹤偵查等目的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點提供穩(wěn)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(wǎng)絡節(jié)點提供能源。傳統(tǒng)風力發(fā)電裝置通常 由風扇、變速器和發(fā)電機組成。例如發(fā)明專利200680021096. 3，由風扇帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，并通 過行星齒輪變速后用發(fā)電機發(fā)電。再如發(fā)明專利200680016461. 1把垂直軸風扇安裝在3 個環(huán)狀結(jié)構(gòu)上，風扇旋轉(zhuǎn)時環(huán)旋轉(zhuǎn)并帶動交流發(fā)電機發(fā)電。傳統(tǒng)的風力發(fā)電機其用途一般 是提供電力，甚至可并網(wǎng)發(fā)電，而其體積一般也較大。而在無線傳感器節(jié)點和分布式小系統(tǒng) 中一般功耗較小，但要求供電系統(tǒng)的體積較小，故傳統(tǒng)風力發(fā)電機不適宜直接移植到為無 線傳感器網(wǎng)絡和分布式小系統(tǒng)供電。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決傳統(tǒng)風力發(fā)電機不適宜為無線傳感器網(wǎng)絡和分布式小系統(tǒng)供電的 問題，提供了一種適宜為無線傳感器網(wǎng)絡和分布式小系統(tǒng)供電的具有帶線圈扇葉的風力發(fā) 電一體機。 具有帶線圈扇葉的風力發(fā)電一體機，其特征在于包括一垂直軸風扇，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(nèi)側(cè)各設有圓環(huán)形永磁體，所述永磁體內(nèi)側(cè)面由間隔均布的N極和S極組成；永磁 體與扇蓋或扇座間均有環(huán)形的導磁軟磁體；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、下兩端分別設有沿兩側(cè)凸出的與永磁體平行的扇葉上緣、扇葉下緣，所述扇 葉上、下緣是軟磁材料，所述扇葉上、下緣的凹槽內(nèi)均繞有線圈；所述永磁體與扇葉上緣、扇 葉下緣之間分別有氣隙，當風扇所處轉(zhuǎn)動位置合適時，所述扇蓋上N極、氣隙、扇葉上緣、氣 隙、S極、導磁軟磁體再回到N極可形成閉合主磁路，所述扇座上N極、氣隙、扇葉下緣、氣隙、 S極、導磁軟磁體再回到N極可形成閉合主磁路。 本發(fā)明考慮到無線傳感器節(jié)點一般要求體積較小，因此提出一種將風扇與發(fā)電裝 置一體化的設計，使風扇本身成為發(fā)電裝置的一部分，從而較大幅度地減小發(fā)電裝置的體積。另一方面，風力發(fā)電裝置產(chǎn)生的電動勢不宜過低，否則不能為發(fā)電機后面的電路提供足 夠的能源；而從發(fā)電機的原理看，單就發(fā)電裝置來說為產(chǎn)生較高電動勢希望發(fā)電裝置有較 大尺寸或轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度較高。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度高要求自然風速較高或運動物體速度較快， 均非發(fā)電裝置本身可以干預的因素；但風扇和發(fā)電裝置的一體化使發(fā)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(chǎn)生的電動勢。 本發(fā)明中采用了垂直軸風扇，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?？梢詫⒈景l(fā)明作為無線傳感節(jié)點的一部分，其產(chǎn) 生的電能可用于為無線傳感器提供能量。 本發(fā)明將風扇與發(fā)電裝置合為一體，其結(jié)構(gòu)與一般風扇有較大區(qū)別。下面陳述本 發(fā)明的設計特點。 本發(fā)明所述的具有帶線圈扇葉的風力發(fā)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，以便于本發(fā)明可以利用各個方向的風源。扇蓋和扇座的內(nèi)側(cè)各設有圓 環(huán)形永磁體，所述永磁體內(nèi)側(cè)面由6個間隔均布的N極和S極組成；永磁體與扇蓋或扇座 間均有環(huán)形的導磁軟磁體；在扇蓋和扇座間有垂直軸風扇。垂直軸風扇為非通磁材質(zhì)；垂 直軸風扇采用特殊形式，其每一片扇葉在普通扇葉基礎上其上下分別沿兩側(cè)延伸出平行于 永磁體內(nèi)側(cè)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?？拷壬w處，當風扇所處的轉(zhuǎn)動位置使扇葉上緣 橫跨N極和S極時，磁力線可以從N極、經(jīng)扇葉上緣到達S極；靠近扇座處，當風扇所處的 轉(zhuǎn)動位置使扇葉下緣橫跨N極和S極時，磁力線可以從N極、經(jīng)扇葉下緣到達S極。而當風 扇所處的轉(zhuǎn)動位置使扇葉上緣或下緣完全在N極或S極內(nèi)時，主要的磁力線垂直于扇葉上 緣或下緣，沿扇葉上緣或下緣的磁力線幾乎為0。為垂直軸風扇能良好轉(zhuǎn)動，永磁體與垂直 軸風扇間有個小氣隙。所以，當風扇所處的轉(zhuǎn)動位置合適時，可形成從N極、氣隙、扇葉上緣 或扇葉下緣、氣隙、S極、導磁軟磁體再回到N極的12個閉合主磁路。當風扇轉(zhuǎn)動時，N極、 S極永磁體與扇葉上緣或下緣重合的部分也隨之變化，上述主磁路中的磁通同時不斷變化， 當扇葉上緣或下緣處于N極與S極中間位置時磁通最大，當扇葉上緣或下緣完全在N極或 S極內(nèi)時磁通最小，主磁路的變化頻率應為風扇轉(zhuǎn)動頻率的6倍。 所述扇葉上、下緣上有凹槽，凹槽內(nèi)繞有線圈；當風扇轉(zhuǎn)動，主磁路磁通不斷變化， 從而經(jīng)過線圈的磁通發(fā)生變化。于是在線圈中應產(chǎn)生電流以抵抗上述磁通變化，收集線圈 中產(chǎn)生的電流即達到發(fā)電的效果。各線圈之間串接以提高發(fā)電電動勢。
所述扇蓋和扇座上的N極、S極數(shù)目總和分別與扇葉的數(shù)目相同。
綜上所述，本發(fā)明的有益效果有 1.將風扇和發(fā)電裝置一體化，風扇扇葉上下緣采用軟磁材料并布設線圈，結(jié)構(gòu)簡
單緊湊，體積小，適合在無線傳感器網(wǎng)絡和分布式小系統(tǒng)的應用需求； 2.風扇和發(fā)電裝置一體化后，其尺寸效應，有利于提高發(fā)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(zhuǎn)換
率高； 4.本發(fā)明一方面利用可再生能源，可以節(jié)約能源；另一方面可大量減少使用電 池，保護環(huán)境。
圖1為本發(fā)明沿圖2中A-A向的剖視圖。
圖2為本發(fā)明沿圖1中B-B向的剖視圖。
圖3為本發(fā)明扇葉的橫剖視圖。
圖4為本發(fā)明永磁體的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
參照圖l-4，本發(fā)明所述的具有帶線圈扇葉的風力發(fā)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(nèi)側(cè)均設 有圓環(huán)形永磁體4，所述永磁體4的內(nèi)側(cè)面由間隔均布的N極和S極組成，通過粘接的方式 固定在扇蓋1或扇座2上，扇座2和扇蓋1上可以有一些小突起以利于永磁體定位。永磁 體4與扇蓋1或扇座2間均有環(huán)形的導磁軟磁體13。所述的軟磁材料是由矯頑力很小(HC < 102A/m)的鐵磁材料制成。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、硅鋼等材料都是軟磁材料。因為本裝置常應用于戶外， 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。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11 ，所述扇葉上緣10、扇葉下緣 11的凹槽內(nèi)均繞有線圈7，所述扇葉上緣10、扇葉下緣11分別通過卡座12固定在扇葉的 上、下兩端的U型固定口上。所述扇葉上緣10、扇葉下緣11均為軟磁材料制成。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上的投影的面積稍小于所述的N極、 S極的面積，其形狀也相互匹配。所述扇葉上緣10、扇葉下緣11上線圈7間應串接，串接方 向應保證在風扇轉(zhuǎn)動時各線圈產(chǎn)生的電動勢不互相抵消。從所述N極、扇葉上緣IO(扇葉 下緣11)、S極、導磁軟磁體回到N極可形成帶有小氣隙的多個閉合主磁路，這里的氣隙是指 扇葉上緣10到扇蓋1上永磁體4內(nèi)側(cè)面及扇葉下緣11到扇座2上永磁體4內(nèi)側(cè)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。
所述扇蓋1和扇座2上的N極、S極數(shù)目總和分別與扇葉9的數(shù)目相同。
所述扇蓋l上的四壁均為空的。 下面說明本具有帶線圈扇葉的風力發(fā)電一體機的工作原理。當風扇3不轉(zhuǎn)動時， 每一個線圈7中的磁通均不發(fā)生變化，此時線圈7中不能產(chǎn)生電流，從而不能產(chǎn)生電能。當 風扇3遇風轉(zhuǎn)動時，風扇扇葉下緣11與扇座2上的N極、S極的相對位置隨扇葉9的轉(zhuǎn)動 會發(fā)生變化，所有扇葉下緣11投影到扇座2上N極的區(qū)域面積經(jīng)歷稍小于N極總面積到0 的往復變化、投影到扇座2上S極永磁體的區(qū)域面積經(jīng)歷0到稍小于S極總面積的往復變 化。假設風扇有6片扇葉，則這種變化的頻率是風扇轉(zhuǎn)動頻率的6倍。故在風扇轉(zhuǎn)動過程 中，線圈7的總磁通變化的頻率也為風扇轉(zhuǎn)動頻率的6倍。而根據(jù)電磁感應原理，線圈7中 將產(chǎn)生頻率為風扇轉(zhuǎn)動頻率的6倍的感應電流。同時上述通過扇葉下緣11上所有線圈7 的總磁通大致上正比于相交部分的面積，總磁通的變化率大致上正比于上述投影面積變化 率，而投影面積變化率又大致上正比于風扇3的轉(zhuǎn)速，扇葉下緣11上上所有線圈7的總磁 通的變化率正比于線圈中產(chǎn)生的電動勢。故線圈7中產(chǎn)生的電動勢大致上正比于風扇3轉(zhuǎn) 速。綜合上述分析線圈7中可產(chǎn)生交變電流，而扇葉下緣11上所有線圈7正確串接后即可獲得的電動勢為單個線圈7產(chǎn)生電動勢的6倍。扇葉上緣10上的線圈與扇座的永磁體變 化情況也類似。值得注意的是扇葉上緣10與下緣11間存在一定角度差，因此扇蓋上N極、 S級與扇座上N極、S級間也應有同樣的角度差。在此基礎上，上述兩組在扇葉上緣10、扇 葉下緣11的線圈7間也應正確串接，獲得的電動勢為單個線圈產(chǎn)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(xiàn)交流電變直流電以便于充電。 本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護 范圍的不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也及于本領域技 術人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術手段。
權利要求
具有帶線圈扇葉的風力發(fā)電一體機，其特征在于包括一垂直軸風扇，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(nèi)側(cè)各設有圓環(huán)形永磁體，所述永磁體內(nèi)側(cè)面由間隔均布的N極和S極組成；永磁體與扇蓋或扇座間均有環(huán)形的導磁軟磁體；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、下兩端分別設有沿兩側(cè)凸出的與永磁體平行的扇葉上緣、扇葉下緣，所述扇葉上、下緣是軟磁材料，所述扇葉上、下緣的凹槽內(nèi)均繞有線圈；所述永磁體與扇葉上緣、扇葉下緣之間分別有氣隙，當風扇所處轉(zhuǎn)動位置合適時，所述扇蓋上N極、氣隙、扇葉上緣、氣隙、S極、導磁軟磁體再回到N極可形成閉合主磁路，所述扇座上N極、氣隙、扇葉下緣、氣隙、S極、導磁軟磁體再回到N極可形成閉合主磁路。
2. 根據(jù)權利要求1所述的風力發(fā)電一體機，其特征在于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(jù)權利要求2所述的風力發(fā)電一體機，其特征在于所述扇蓋和扇座上的N極、S 極數(shù)目總和分別與扇葉的數(shù)目相同。
全文摘要
具有帶線圈扇葉的風力發(fā)電一體機，包括一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(nèi)側(cè)各設有圓環(huán)形永磁體，所述永磁體內(nèi)側(cè)面由間隔均布的N極和S極組成；永磁體與扇蓋或扇座間均有環(huán)形的導磁軟磁體；所述垂直軸風扇的扇葉上、下端分別設有沿兩側(cè)凸出的與永磁體平行的軟磁材料的扇葉上、下緣，所述扇葉上、下緣的凹槽內(nèi)均繞有線圈；所述N極、扇葉上緣或扇葉下緣、S極、導磁軟磁體可形成帶有氣隙的閉合主磁路。風扇轉(zhuǎn)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(chǎn)生交流電動勢。本發(fā)明的有益效果結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、能量轉(zhuǎn)換率高、節(jié)能環(huán)保。
文檔編號F03D3/00GK101749192SQ201010118580
公開日2010年6月23日 申請日期2010年1月21日 優(yōu)先權日2010年1月21日
發(fā)明者何熊熊, 張端 申請人:浙江工業(yè)大學