專利名稱：軟磁體扇葉風力發(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)
的軟磁體扇葉風力發(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，由風扇帶動轉軸轉動，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)狀結構上，風扇旋轉時環(huán)旋轉并帶動交流發(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)供電的軟磁體扇葉風力發(fā)電一體 機。 軟磁體扇葉風力發(fā)電一體機，其特征在于包括一軟磁材料的垂直軸風扇，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 蓋和扇座的內側分別設有第一永磁體和第二永磁體，所述第一永磁體與第二永磁體的內側 面的極性相異，所述第一永磁體與第二永磁體在所述扇蓋和扇座的四角方向上通過導磁軟 磁體連通；所述垂直軸風扇的扇葉上下兩端分別設有平行于第一永磁體與第二永磁體內側 面的扇葉上緣、扇葉下緣；所述第一永磁體、第二永磁體分別與扇葉上緣、扇葉下緣之間有 氣隙，所述第一永磁體、氣隙、垂直軸風扇、氣隙、第二永磁體、導磁軟磁體、第一永磁體形成 一個閉合主磁路；所述第一永磁體與第二永磁體的內側面均設有凹槽，所述凹槽內布設線 圈；所述扇葉上、下緣的形狀與所述線圈所圍的形狀相同，面積相等。 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
3積。另一方面，風力發(fā)電裝置產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)電裝置來說為產生較高電動勢希望發(fā)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(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。可以將本發(fā)明作為無線傳感節(jié)點的一部分，其產 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，其結構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)明所述的軟磁體扇葉風力發(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。扇蓋和扇座的內側分別設有第一永 磁體和第二永磁體，所述的第一永磁體與第二永磁體的內側面的極性相異，在第一永磁體 與第二永磁體間有垂直軸風扇。垂直軸風扇為軟磁體材質；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延伸出平行于第一永磁體與第二永磁體內側面的 扇葉上緣和扇葉下緣。如果第一永磁體內側面磁性為N而第二永磁體內側面磁性為S，磁 力線可以從第一永磁體、經(jīng)扇葉到達第二永磁體。為垂直軸風扇能良好轉動，在第一永磁體 與垂直軸風扇間以及第二永磁體與垂直軸風扇間有兩個小氣隙。導磁軟磁體從風扇四角連 接第一永磁體和第二永磁體，其作用是連通從第一永磁體外側面到第二永磁體外側面的磁 路。最終形成從第一永磁體、氣隙、垂直軸風扇、氣隙、第二永磁體、導磁軟磁體再回到第一 永磁體的閉合主磁路。當風扇轉動時，該主磁路同時轉動，如果扇葉數(shù)為n則主磁路的轉動 頻率為風扇轉動頻率的n倍。 所述的第一永磁體與第二永磁體的內側面均設有凹槽，凹槽內布設線圈。當風扇 轉動，主磁路也轉動，從而經(jīng)過線圈的磁通發(fā)生變化，凹槽和線圈的形狀與風扇上下緣形狀 匹配面積相等使磁通變化與風扇角速度成正比。于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(fā)電的效果。各線圈之間串接以提高發(fā)電電動勢。
第一永磁體與第二永磁體各自內側面的凹槽數(shù)目可以等于扇葉數(shù)，也可以為扇葉 數(shù)的兩倍。 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，軟磁體材質的風扇成為發(fā)電裝置的一部分，結構簡
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.裝置中形成帶小氣隙的閉合主磁路，能量轉換率高； 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。
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圖3為本發(fā)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(fā)明所述的軟磁體扇葉風力發(fā)電一體機，包括軟磁體材料的垂直軸 風扇7，所述垂直軸風扇7通過軸13和軸承12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14安裝在扇座2上。所述的扇蓋1和扇座2的內側分別設有 第一永磁體3和第二永磁體4，所述的第一永磁體3與第二永磁體4的內側面的極性相異。 所述的第一永磁體3與第二永磁體4的外側面之間，通過該風力發(fā)電一體機中扇蓋1和扇 座2的四角，連接有一個導磁軟磁體8，該軟磁體為鈑金件。導磁軟磁體8、第一永磁體3和 第二永磁體4被上下共16個卡座15固定在扇蓋1或扇座2上。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。所述的第 一永磁體3與第二永磁體4的內側面均設有凹槽5，凹槽5內布設線圈6，線圈6可采用粘 接的方式固定。所述垂直軸風扇7上的每個扇葉11，與普通扇葉不同，有扇葉上緣9和扇葉 下緣10，扇葉上緣9在所述的扇蓋1上的投影以及扇葉下緣10在扇座2上的投影的面積等 于所述的凹槽5的面積，其形狀也相互匹配。所述的第一永磁體3與第二永磁體4上的凹 槽有一定角度差以反應所述扇葉上緣9和扇葉下緣10之間的角度差。所述線圈6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。從所述第一永磁體3、 導磁軟磁體8、第二永磁體4、垂直軸風扇7回到第一永磁體3形成帶有兩個小氣隙的閉合 主磁路，這里的氣隙是指扇葉上緣9到第一永磁體3內側面及扇葉下緣10到第二永磁體4 內側面之間的部分，兩氣隙寬度應在0. 3mm以下，以獲得較大的磁感應強度。
所述的第一永磁體3與第二永磁體4的凹槽5的數(shù)目分別與所述扇葉11的數(shù)目 相同。 所述扇蓋l上的四壁均為空的。 下面說明本軟磁體扇葉風力發(fā)電一體機的工作原理。當風扇不轉動時，每一個線 圈6中的磁通均不發(fā)生變化，此時線圈6中不能產生電流，從而不能產生電能。當風扇7遇 風轉動時，風扇扇葉下緣10與扇座2上的線圈6的相對位置隨扇葉7的轉動會發(fā)生變化， 所有扇葉下緣10投影到第二永磁體4的區(qū)域與所有嵌入第二永磁體4的線圈6所圍區(qū)域 的相交部分面積也經(jīng)歷0到第二永磁體4上所有線圈6所圍總面積的往復變化。假設風扇 7有8片扇葉，則這種變化的頻率是風扇7轉動頻率的8倍。同時上述通過第二永磁體4上 所有線圈6的總磁通正比于相交部分的面積，故總磁通的變化率正比于相交部分面積變化 率，相交部分面積變化率正比于風扇7的轉速，而由電磁感應基本定理，第二永磁體4上所 有線圈6的總磁通的變化率正比于線圈6中產生的電動勢。故線圈6中產生的電動勢正比 于風扇轉速。綜合上述分析線圈6中可產生交變電流，而第二永磁體4上所有線圈6正確 串接后即可獲得的電動勢為單個線圈6產生電動勢的8倍。扇葉上緣9與嵌入第一永磁體 3的線圈6的情況也類似。值得注意的是扇葉上緣9與下緣10間存在一定角度差，因此嵌 入第一永磁體3的線圈6與嵌入第二永磁體4的線圈6間也應有同樣的角度差。在此基礎上，上述兩組在嵌入不同永磁體的線圈6間也應正確串接，獲得的電動勢為單個線圈6產生 電動勢的16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。
實施例二 本實施例與實施例一的不同之處在于所述的第一永磁體3與第二永磁體4的凹槽 5的數(shù)目分別為扇葉11數(shù)目的兩倍。此時分別嵌入第一永磁體3與第二永磁體4的線圈可 按電機中常用的單疊法安放。其余結構和功能都相同。與實施例一一樣假設風扇7中包含 8片扇葉，作類似于實施例一的分析，獲得的總電動勢為每個線圈6產生電動勢的32倍。
本說明書實施例所述的內容僅僅是對發(fā)明構思的實現(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)明構思所能夠想到的等同技術手段。
權利要求
軟磁體扇葉風力發(fā)電一體機，其特征在于包括一軟磁材料的垂直軸風扇，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分別設有第一永磁體和第二永磁體，所述第一永磁體與第二永磁體的內側面的極性相異，所述第一永磁體與第二永磁體在所述扇蓋和扇座的四角方向上通過導磁軟磁體連通；所述垂直軸風扇的扇葉上下兩端分別設有平行于第一永磁體與第二永磁體內側面的扇葉上緣、扇葉下緣；所述第一永磁體、第二永磁體分別與扇葉上緣、扇葉下緣之間有氣隙，所述第一永磁體、氣隙、垂直軸風扇、氣隙、第二永磁體、導磁軟磁體、第一永磁體形成一個閉合主磁路；所述第一永磁體與第二永磁體的內側面均設有凹槽，所述凹槽內布設線圈；所述扇葉上、下緣的形狀與所述線圈所圍的形狀相同，面積相等。
2. 根據(jù)權利要求1所述的軟磁體扇葉風力發(fā)電一體機，其特征在于所述第一永磁體 和第二永磁體的凹槽數(shù)目分別與扇葉的數(shù)目相同。
3. 根據(jù)權利要求1所述的軟磁體扇葉風力發(fā)電一體機，其特征在于所述第一永磁體 和第二永磁體的凹槽數(shù)目分別是扇葉數(shù)目的兩倍。
全文摘要
軟磁體扇葉風力發(fā)電一體機，包括一軟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分別設有內側面的極性相異的第一永磁體和第二永磁體，所述第一永磁體與第二永磁體在四個角方向上通過導磁軟磁體連通；所述第一永磁體與第二永磁體的內側面均設有凹槽，所述凹槽內布設線圈；所述扇葉上、下緣的形狀與所述線圈所圍的形狀相同，面積相等；所述第一永磁體、垂直軸風扇、第二永磁體和導磁軟磁體形成帶有兩個小氣隙的閉合主磁路。風扇轉動時，主磁路也轉動，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(fā)明的有益效果結構緊湊、體積小、能量轉換率高、節(jié)能環(huán)保。
文檔編號F03D9/00GK101761457SQ20101011935
公開日2010年6月30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, 郭慧賢 申請人:浙江工業(yè)大學