專利名稱：永磁體扇葉風(fēng)力發(fā)電一體機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種風(fēng)力發(fā)電一體機(jī)，尤其是適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和分布式小 系統(tǒng)的永磁體扇葉風(fēng)力發(fā)電一體機(jī)。
背景技術(shù)：
隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、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(diǎn)的供電問(wèn)題成為一個(gè)難題。這些節(jié)點(diǎn)一般需要有各自獨(dú)立的供電裝置，使 用較多的是電池。但電池的電量有限，對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)即使采用了低功耗設(shè)計(jì)，一般也只 能維持?jǐn)?shù)月，電池的壽命成為節(jié)點(diǎn)壽命的瓶頸；同時(shí)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)大多不回收，所以節(jié)點(diǎn) 攜帶的化學(xué)電池引起的二次污染勢(shì)必成為環(huán)境的重大威脅。因此，利用新能源給無(wú)線傳感 器節(jié)點(diǎn)供電勢(shì)在必行。對(duì)一些運(yùn)動(dòng)物體，如飛行中的鳥(niǎo)類和行進(jìn)中的汽車，可為依附其上的用于科學(xué)研 究或跟蹤偵查等目的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供穩(wěn)定的風(fēng)源。另一種情況是使用自然風(fēng)能或 與太陽(yáng)能等其他可再生能源配合為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供能源。傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電裝置通常 由風(fēng)扇、變速器和發(fā)電機(jī)組成。例如發(fā)明專利200680021096. 3，由風(fēng)扇帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并通 過(guò)行星齒輪變速后用發(fā)電機(jī)發(fā)電。再如發(fā)明專利200680016461. 1把垂直軸風(fēng)扇安裝在3 個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)上，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)環(huán)旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)發(fā)電。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)不適宜直接移植到為無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)和分布式小系統(tǒng)供電。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型要解決傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)不適宜為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和分布式小系統(tǒng)供 電的問(wèn)題，提供了一種適宜為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和分布式小系統(tǒng)供電的永磁體扇葉風(fēng)力發(fā)電 一體機(jī)。永磁體扇葉風(fēng)力發(fā)電一體機(jī)，其特征在于包括一永磁材料的垂直軸風(fēng)扇，所述垂 直軸風(fēng)扇的軸設(shè)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 蓋和扇座內(nèi)側(cè)均設(shè)有由第一軟磁體與第二軟磁體組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述環(huán)形結(jié)構(gòu)向內(nèi)設(shè)有 鋸齒形葉片，所述第一軟磁體、第二軟磁體均在扇蓋和扇座的二個(gè)角方向上向外凸出并上 下延伸將磁路導(dǎo)通；所述垂直軸風(fēng)扇的扇葉的上、下兩端極性相異，所述扇葉上設(shè)有線圈， 所述扇葉的上、下兩端分別設(shè)有平行于第一軟磁體和第二軟磁體內(nèi)側(cè)面的扇葉上緣、扇葉 下緣，所述扇葉上、下緣的形狀與鋸齒形葉片的形狀相同；所述第一軟磁體、第二軟磁體分 別與扇葉上緣、扇葉下緣之間有氣隙，所述扇葉、氣隙、扇蓋上環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋸齒形葉片、扇座 上環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋸齒形葉片、氣隙、扇葉可形成一個(gè)閉合主磁路。本實(shí)用新型考慮到無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)一般要求體積較小，因此提出一種將風(fēng)扇與發(fā) 電裝置一體化的設(shè)計(jì)，使風(fēng)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(fēng)力發(fā)電裝置產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)不宜過(guò)低，否則不能為發(fā)電機(jī)后面的電路提 供足夠的能源；而從發(fā)電機(jī)的原理看，單就發(fā)電裝置來(lái)說(shuō)為產(chǎn)生較高電動(dòng)勢(shì)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(fēng)速較高或運(yùn)動(dòng)物體速度較 快，均非發(fā)電裝置本身可以干預(yù)的因素；但風(fēng)扇和發(fā)電裝置的一體化使發(fā)電裝置尺寸相對(duì) 地達(dá)到其可以達(dá)到的最大程度，從而提高所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。本實(shí)用新型中采用了垂直軸風(fēng)扇，垂直軸風(fēng)扇能夠利用各個(gè)方向的風(fēng)能，同時(shí)使 得該裝置的安裝位置、方向和精度上比較自由?？梢詫⒈緦?shí)用新型作為無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的一 部分，其產(chǎn)生的電能可用于為無(wú)線傳感器提供能量。本實(shí)用新型將風(fēng)扇與發(fā)電裝置合為一體，其結(jié)構(gòu)與一般風(fēng)扇有較大區(qū)別。下面陳 述本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。本實(shí)用新型所述的永磁體扇葉風(fēng)力發(fā)電一體機(jī)其外殼由扇蓋和扇座組成，扇蓋上 的四面扇壁鏤空，以便于本實(shí)用新型可以利用各個(gè)方向的風(fēng)源。所述扇蓋和扇座內(nèi)側(cè)均設(shè) 有由第一軟磁體與第二軟磁體組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述環(huán)形結(jié)構(gòu)向內(nèi)設(shè)有鋸齒形葉片，所述 第一軟磁體、第二軟磁體均在扇蓋和扇座的二個(gè)角方向上向外凸出并上下延伸將磁路導(dǎo) 通，第一軟磁體及第二軟磁均由上下2片經(jīng)焊接而成；扇蓋上和扇座上的環(huán)形結(jié)構(gòu)間有垂 直軸風(fēng)扇。垂直軸風(fēng)扇為永磁體材質(zhì)；垂直軸風(fēng)扇采用特殊形式，其每一片扇葉在普通扇葉 基礎(chǔ)上其上下分別延伸出平行于第一軟磁體與第二軟磁體內(nèi)側(cè)面的扇葉上緣和扇葉下緣， 并在扇葉上安裝有線圈。所述垂直軸風(fēng)扇的扇葉的上、下兩端極性相異，如果扇葉上端磁性 為N，下端磁性為S，磁力線可以從扇葉上端、經(jīng)第一軟磁體或第二軟磁體到達(dá)扇葉下端。為 垂直軸風(fēng)扇能良好轉(zhuǎn)動(dòng)，在第一軟磁體與垂直軸風(fēng)扇間以及第二軟磁體與垂直軸風(fēng)扇間有 兩個(gè)小氣隙。最終可以形成從垂直軸風(fēng)扇上端、氣隙、第一軟磁體及第二軟磁體、氣隙、垂直 軸風(fēng)扇下端再經(jīng)扇葉回到垂直軸風(fēng)扇上端的閉合主磁路。當(dāng)然閉合主磁路存在的條件是風(fēng) 扇上緣和下緣分別投影到第一軟磁體和第二軟磁體圍成的上下兩個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)上時(shí)，投影與 環(huán)形結(jié)構(gòu)上的鋸齒有重合部分，根據(jù)含永磁體磁路的有關(guān)理論，該重合部分面積愈大，磁阻 愈小，通過(guò)扇葉的總磁通也愈大；否則當(dāng)重合部分面積為0時(shí)，磁路中的磁阻很大，扇葉上 磁感應(yīng)強(qiáng)度變得很小，通過(guò)扇葉的總磁通也減小。所述重合部分面積變化率與風(fēng)扇角速度 成正比。當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主磁路的總磁通隨之增大或減小，如果扇葉數(shù)為n，則主磁路上總 磁通的變化頻率應(yīng)為風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的η倍。由于主磁路總磁通完全經(jīng)過(guò)風(fēng)扇扇葉上布置的線圈，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)所有線 圈的磁通發(fā)生變化。于是在線圈中應(yīng)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(dá)到發(fā)電的效果。各線圈之間通過(guò)合理串接可以提高發(fā)電電動(dòng)勢(shì)。所述第一軟磁體與第二軟磁體上，靠近扇蓋的鋸齒形葉片以及靠近扇座的鋸齒形 葉片數(shù)目分別與扇葉的數(shù)目相同。綜上所述，本實(shí)用新型的有益效果有1.將風(fēng)扇和發(fā)電裝置一體化，永磁材質(zhì)的風(fēng)扇其扇葉上布設(shè)線圈，成為發(fā)電裝置 的一部分，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，適合在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和分布式小系統(tǒng)的應(yīng)用需求；2.風(fēng)扇和發(fā)電裝置一體化后，其尺寸效應(yīng)，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，該主磁路總磁通變化量大，能量轉(zhuǎn)換率聞；4.本實(shí)用新型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(hù)環(huán)境。

圖1為本實(shí)用新型沿圖2中A-A向的剖視圖。圖2為本實(shí)用新型沿圖1中B-B向的剖視圖。圖3為本實(shí)用新型扇葉的橫剖視圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一參照?qǐng)D1-3，本實(shí)用新型所述的永磁體扇葉風(fēng)力發(fā)電一體機(jī)，包括永磁體材料的垂 直軸風(fēng)扇7，所述垂直軸風(fēng)扇7通過(guò)軸5和軸承6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(guò)四個(gè)卡座13安裝在扇座2上。所述扇蓋1和扇座2內(nèi)側(cè)均設(shè)有由 第一軟磁體3與第二軟磁體4組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述環(huán)形結(jié)構(gòu)向內(nèi)設(shè)有鋸齒形葉片12，所 述第一軟磁體3、第二軟磁體4均在扇蓋和扇座的二個(gè)角方向上向外凸出并上下延伸將磁 路導(dǎo)通，第一軟磁體3及第二軟磁4均由上下2片經(jīng)焊接而成；第一軟磁體3和第二軟磁 體4被上下共8個(gè)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?yàn)檫@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(chǎng)中。純鐵、硅鋼等材料都是軟磁材料。因?yàn)楸狙b置常應(yīng)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(fēng)扇7的 扇葉11上設(shè)有線圈8，線圈8通過(guò)卡座14固定在垂直軸風(fēng)扇7上。所述垂直軸風(fēng)扇7的 扇葉11的上、下兩端極性相異，所述扇葉11的上、下兩端分別設(shè)有平行于第一軟磁體3和 第二軟磁體4內(nèi)側(cè)面的扇葉上緣9、扇葉下緣10，所述扇葉上緣9、扇葉下緣10的形狀與鋸 齒形葉片12的形狀相同。扇蓋1上環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋸齒形葉片12與扇座2上環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋸齒 形葉片12有一定角度差以反應(yīng)所述扇葉上緣9和扇葉下緣10之間的角度差。所述垂直軸 風(fēng)扇7、扇蓋1上環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋸齒形葉片12、扇座2上環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋸齒形葉片12形成帶有 兩個(gè)小氣隙的閉合主磁路，這里的氣隙是指扇葉上緣9到扇蓋1上環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋸齒形葉片 12之間的空隙，及扇葉下緣10到扇座2上環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋸齒形葉片12之間的空隙，兩氣隙 寬度應(yīng)在0. 3mm以下，以獲得較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度。閉合主磁路存在的條件是風(fēng)扇上緣9和 下緣10分別投影到第一軟磁體3和第二軟磁體4圍成的上下兩個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)上時(shí)，投影與環(huán) 形結(jié)構(gòu)上的鋸齒有重合部分，根據(jù)含永磁體磁路的有關(guān)理論，該重合部分面積愈大，磁阻愈 小，通過(guò)扇葉11的總磁通也愈大；否則當(dāng)重合部分面積為0時(shí)，磁路中的磁阻很大，磁感應(yīng) 強(qiáng)度變得很小，通過(guò)扇葉11的總磁通也很小。所述重合部分面積變化率與風(fēng)扇角速度成正 比。所述線圈8間應(yīng)串接，串接方向應(yīng)保證在風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)各線圈8產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)不互相抵 消。扇蓋1上環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋸齒形葉片12和扇座2上環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋸齒形葉片12數(shù)目分 別與扇葉11的數(shù)目相同。所述扇蓋1上的四壁均為空的。[0025]下面說(shuō)明本永磁體扇葉風(fēng)力發(fā)電一體機(jī)的工作原理。當(dāng)風(fēng)扇7不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，閉合主 磁路的總磁通不變，線圈8中的磁通也不發(fā)生變化，此時(shí)線圈8中不能產(chǎn)生電流，從而不能 產(chǎn)生電能。當(dāng)風(fēng)扇7遇風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)扇7扇葉下緣10與扇座2上環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋸齒形葉片12 的相對(duì)位置隨扇葉的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)發(fā)生變化，所有扇葉下緣10投影到扇座2上環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋸齒形 葉片12區(qū)域的面積也經(jīng)歷0到扇座2上環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋸齒形葉片12面積和的往復(fù)變化。而 風(fēng)扇7扇葉上緣9處的情況也類似。假設(shè)風(fēng)扇7有7片扇葉，則這種變化的頻率是風(fēng)扇7 轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的7倍。故在風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，線圈8的總磁通變化的頻率也為風(fēng)扇7轉(zhuǎn)動(dòng)頻率 的7倍。而根據(jù)電磁感應(yīng)原理，線圈8中將產(chǎn)生頻率為風(fēng)扇7轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的7倍的感應(yīng)電流。 同時(shí)上述通過(guò)垂直軸風(fēng)扇7上所有線圈8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正比于風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，垂 直軸風(fēng)扇7上所有線圈8的總磁通的變化率正比于線圈中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。故線圈8中產(chǎn)生 的電動(dòng)勢(shì)大致上正比于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。綜合上述分析線圈8中可產(chǎn)生交變電流，而所有線圈8 正確串接后即可獲得的電動(dòng)勢(shì)為單個(gè)線圈產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的14倍。為了得到直流電利用電路 板整流電路實(shí)現(xiàn)交流電變直流電以便于充電。本說(shuō)明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)實(shí)用新型構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本實(shí)用新 型的保護(hù)范圍的不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍也 及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求永磁體扇葉風(fēng)力發(fā)電一體機(jī)，其特征在于包括一永磁材料的垂直軸風(fēng)扇，所述垂直軸風(fēng)扇的軸設(shè)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，所述扇蓋和扇座內(nèi)側(cè)均設(shè)有由第一軟磁體與第二軟磁體組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述環(huán)形結(jié)構(gòu)向內(nèi)設(shè)有鋸齒形葉片，所述第一軟磁體、第二軟磁體均在扇蓋和扇座的二個(gè)角方向上向外凸出并上下延伸將磁路導(dǎo)通；所述垂直軸風(fēng)扇的扇葉的上、下兩端極性相異，所述扇葉上設(shè)有線圈，所述扇葉的上、下兩端分別設(shè)有平行于第一軟磁體和第二軟磁體內(nèi)側(cè)面的扇葉上緣、扇葉下緣，所述扇葉上、下緣的形狀與鋸齒形葉片的形狀相同；所述第一軟磁體、第二軟磁體分別與扇葉上緣、扇葉下緣之間有氣隙，所述扇葉、氣隙、扇蓋上環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋸齒形葉片、扇座上環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋸齒形葉片、氣隙、扇葉可形成一個(gè)閉合主磁路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁體扇葉風(fēng)力發(fā)電一體機(jī)，其特征在于扇蓋上環(huán)形結(jié)構(gòu) 的鋸齒形葉片和扇座上環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋸齒形葉片數(shù)目分別與扇葉的數(shù)目相
專利摘要永磁體扇葉風(fēng)力發(fā)電一體機(jī)，包括一永磁材料垂直軸風(fēng)扇，其軸設(shè)置在上部扇蓋和下部扇座之間，所述扇蓋和扇座內(nèi)側(cè)均設(shè)有由第一、二軟磁體組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，其向內(nèi)設(shè)有鋸齒形葉片，所述第一、二軟磁體均在扇蓋和扇座的二個(gè)角方向上向外凸出并上下延伸將磁路導(dǎo)通；所述垂直軸風(fēng)扇的扇葉的上、下兩端極性相異，所述扇葉上設(shè)有線圈，其上、下兩端分別設(shè)有與鋸齒形葉片的形狀相同扇葉上、下緣。所述垂直軸風(fēng)扇、第一軟磁體和第二軟磁體可形成帶有兩個(gè)小氣隙的閉合主磁路。風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主磁路中的磁通隨之改變，各線圈的磁通量將相應(yīng)增大或減小，進(jìn)而產(chǎn)生交流電動(dòng)勢(shì)。本實(shí)用新型的有益效果結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、體積小、應(yīng)用性強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保。
文檔編號(hào)F03D3/06GK201650583SQ201020125290
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月21日
發(fā)明者何熊熊, 張端, 郭慧賢 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)