基于转动驰振的电磁式风能采集器制造技术

一种基于转动驰振的电磁式风能采集器，包括钝体、机电转换组件、弹性件及刚性连接件。钝体包括柔性膜和刚性壳，柔性膜和刚性壳围成至少一个密封腔，钝体的底部包括柔性膜；机电转换组件设置于所述密封腔内部；机电转换组件包括至少两排永磁体和一排线圈，每相邻的两排永磁体之间均设有一排线圈，每个线圈均处于相邻排的永磁体产生的磁场中；弹性件的两端分别固定于刚性壳的内侧壁和永磁体阵列；刚性连接件的两端分别固定于柔性膜的内缘和永磁体；永磁体通过刚性连接件固定于外部安装位置；一排或多排线圈固定于刚性壳的内侧壁。在风的作用下，被弹性件支承的钝体在风的作用下发生转动驰振，带动线圈相对于永磁体运动并发电。带动线圈相对于永磁体运动并发电。带动线圈相对于永磁体运动并发电。

【技术实现步骤摘要】
基于转动驰振的电磁式风能采集器


[0001]本申请涉及风力发电
，尤其是一种基于转动驰振的电磁式风能采集器。

技术介绍

[0002]无线传感器网络技术已经被广泛应用于森林火灾监控、精细农业以及大气环境检测等领域。无线传感器节点是构建无线传感器网络的基本单元。目前的无线传感器节点采用电池供电，但电池需要定期充电或更换，维护费用很高，并且电池的使用也会污染环境。也有的部分无线传感器节点采用太阳能来供电，但是太阳能电池板生产污染严重并且利用太阳能来供电受天气影响较大。风能是环境中一种较易获取的清洁能源，将风能转换为电能的风能采集器具有长寿命、免维护和无污染等诸多优点，将其作为电池的替代品或者有益补充为无线传感器节点供电，可以显著降低维护成本，并且对环境十分友好。
[0003]现有的风能采集器包括涡轮式和风致振动式。涡轮风力发电机利用风力带动涡轮旋转将风能转换为转动动能，而风致振动风能采集器利用风致振动现象将风能转化为结构的振动能，然后利用电磁感应、压电效应、静电感应或摩擦发电等机电转换原理进一步将转动动能或振动能转换为电能。相较涡轮式风能采集器而言，风致振动风能采集器不包含转动部件，具有结构简单、易于微小型化等显著优点。
[0004]根据机电转换机理的不同，可以将风致振动式能量采集器分为电磁式风能采集器、压电式风能采集器、静电式风能采集器、摩擦电式风能采集器等等。相对于利用压电效应或静电感应实现机电转换的风致振动风能采集器而言，利用电磁感应的电磁式风能采集器具有长期稳定性好的突出优势。但是，由于电磁式风能采集器的部件中必须包含质量较大的永磁体，而质量大的物体难以发生风致振动，因此，现有的电磁式风能采集器体积较大，工作风速较高。此外，电磁式风能采集器的输出电压偏低，之后需要多个步骤来提高输出电压来供给在负载或者储能元件上。
[0005]按照风致振动的振动种类不同，可以将微小尺度的风致振动式能量采集器分为基于涡振的风能采集器、基于驰振的风能采集器、基于颤振的风能采集器等等。其中基于涡振的风能采集器的启动风速相对较低，但其工作风速范围和输出功率都相对较小；基于驰振和基于颤振的风能采集器的工作风速范围和输出功率远高于基于涡振的风能采集器，但其启动风速也相对较高；基于驰振的风能采集器的结构通常比基于颤振的风能采集器简单得多，更易于微小型化。现有的基于驰振的风能采集器都是以平动为主，而基于转动驰振的风能采集器目前未见报道。
[0006]此外，风致振动式风能采集器的能量转换单元大多直接暴露于外部环境中，环境中的雨水和粉尘导致采集器的性能衰减，甚至导致采集器发生短路等问题，从而影响风能采集器的稳定性与可靠性。
[0007]申请内容
[0008]本申请的目的是提供一种基于转动驰振的电磁式风能采集器以及一种基于转动驰振的平面内多向风能采集器。
[0009]为了解决上述技术问题，本申请提供的一种基于转动驰振的电磁式风能采集器，包括钝体、机电转换组件、弹性件及刚性连接件。钝体包括柔性膜和刚性壳，柔性膜和刚性壳围成至少一个密封腔，钝体的侧壁的至少一部分由刚性壳构成，钝体的底部的至少一部分由柔性膜构成；机电转换组件包括永磁体阵列和线圈阵列，永磁体阵列包括至少两排永磁体，线圈阵列包括至少一排线圈，成排的线圈和成排的永磁体相间设置，同一排永磁体包括一列或两列永磁体，同一列永磁体包括至少两个沿着钝体的预设方向顺次连接的永磁体，永磁体的磁极朝向相邻排的对应位置的永磁体设置，并且同一列中相邻的永磁体的磁极朝向相反，相邻排的对应位置的永磁体的相对的磁极的磁性相反，从而使相邻排永磁体沿着钝体预设方向具有不断反向的翻转磁场，同一排线圈包括一列或两列线圈，并且同一个线圈对应于同一列上的至少两个永磁体设置以使线圈处于反向的翻转磁场中；弹性件的相对的两端分别固定于刚性壳的内侧壁和永磁体阵列；刚性连接件的相对的两端分别固定于钝体底部的柔性膜内缘和永磁体阵列；其中，机电转换组件、弹性件、刚性连接件均设于其中的一个或多个密封腔内；并且其中的一排或多排线圈固定于刚性壳的内侧壁。
[0010]当风吹过时，本申请中的电磁式风能采集器的钝体受到气动力的作用，连接于钝体的刚性壳的内侧壁上的弹性件发生扭曲变形，钝体将发生转动类的驰振，实现风能向振动能的转化。钝体的转动带动线圈阵列一起振动，而通过刚性连接件固定于安装位置的永磁体阵列是保持静止不动的，因此线圈阵列和永磁体阵列之间将发生相对运动，引起通过线圈阵列的磁通量发生变化，进而在线圈阵列两端产生感生电动势，实现振动能向电能的转换。
[0011]为了实现对环境中不同方向风能的采集，本申请还提供了一种基于转动驰振的平面内多向电磁式风能采集器。在以上单向电磁式风能采集器基础上，首先对机电转换组件进行调整，将成排的线圈阵列按十字交叉型进行布置，在十字交叉的两个方向上各至少包含一排线圈阵列；对应的，将成排的永磁体阵列也按照十字交叉的两个方向进行布置，在每个方向上各至少包含两排永磁体阵列。十字交叉的线圈阵列放置于沿十字交叉两个方向布置的永磁体阵列的间隙中，使得任意单个线圈处于两侧至少各两个永磁体产生的沿预设方向的反向翻转磁场中。也可以增加弹性件数量，并调整弹性件的安装位置，使被弹性件支承的钝体外壳能够在多个方向风力作用下产生转动驰振，例如，采用四片弹性梁按线圈阵列十字交叉的方向均布，将能够实现对平面内多向风能的采集。对于钝体、机电转换组件、弹性件以及刚性连接件的其余相应设置与单自由度电磁式风能采集器相同。
[0012]可选的，预设方向可以是钝体的高度方向，也可以是钝体的中心旋转轴的方向。
[0013]可选的，永磁体阵列的排数比线圈阵列的排数多一排，每相邻两排永磁体之间均设有一排线圈，相邻排中的永磁体之间一一对应，每一列永磁体包括至少两个即沿着钝体的顶部和底部的中点的连线方向(下称沿着钝体的高度方向)顺次连接的永磁体，永磁体的南(S)和北(N)极朝向相邻排相同位置的永磁体，并且同一列中相邻的永磁体的磁极朝向相反，相邻排的相同位置的永磁体的相对的磁极的磁性相反，对于相邻排对应列的相邻的永磁体在两排永磁体之间的间隙内产生沿着钝体高度方向反向的磁场(下称翻转磁场)，每一排线圈包括一列或两列线圈，每一排线圈的列数与每一排永磁体的列数相同，每一列永磁体的永磁体个数比每一列线圈的线圈个数多一个，每个线圈均处于相邻排对应列和对应位置的四个永磁体产生的翻转磁场中。上述永磁体阵列的排数比线圈阵列的排数多一排的布
设方式是最优的，当然也可采用永磁体阵列的排数比线圈阵列的排数少一排的布设方式，此时每相邻两排线圈之间均设有一排永磁体。
[0014]可选的，每一排线圈与相邻的两排永磁体之间均设有间隙，确保线圈与永磁体之间不发生接触。
[0015]本申请中通过各部件的连接设置，整个风能采集器分为固定部分和运动部分，固定部分包括永磁体阵列和刚性连接件，运动部分包括钝体和线圈阵列以及弹性件。由于减小运动部分的质量更有利于产生风致振动，本申请将质量相对较大的永磁体阵列固定于刚性连接件上，刚性连接件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于转动驰振的电磁式风能采集器，其特征在于，包括：钝体，包括柔性膜和刚性壳，所述柔性膜和所述刚性壳围成至少一个密封腔，所述钝体的侧壁的至少一部分由刚性壳构成，所述钝体的底部的至少一部分由柔性膜构成；机电转换组件，包括永磁体阵列和线圈阵列，所述永磁体阵列包括至少两排永磁体，所述线圈阵列包括至少一排线圈，成排的线圈和成排的永磁体相间设置，同一排永磁体包括一列或两列永磁体，同一列永磁体包括至少两个沿着钝体的高度方向顺次连接的永磁体，永磁体的磁极朝向相邻排的对应位置的永磁体设置，并且同一列中相邻的永磁体的磁极朝向相反，相邻排的对应位置的永磁体的相对的磁极的磁性相反，从而使相邻排永磁体沿着钝体预设方向具有不断反向的翻转磁场，同一排线圈包括一列或两列线圈，并且同一个线圈对应于同一列上的至少两个永磁体设置以使线圈处于反向的翻转磁场中；弹性件，所述弹性件的相对的两端分别固定于刚性壳的内侧壁和所述永磁体阵列；刚性连接件，所述刚性连接件的两端分别固定于底部的柔性膜的内缘和所述永磁体阵列；其中，所述机电转换组件、弹性件、刚性连接件均设于其中的一个或多个密封腔内；并且其中的一排或多排线圈的两端均固定于刚性壳的内侧壁；其中，在外力的作用下，被所述弹性件支承的刚性壳发生转动驰振，带动所述线圈阵列相对于永磁体阵列运动，从而产生电学输出。2.根据权利要求1所述的基于转动驰振的电磁式风能采集器，其特征在于，所述电磁式风能采集器还包括支撑柱，所述支撑柱位于所述至少一个密封腔外，所述支撑柱的其中一端对应于所述刚性连接件和所述柔性膜的内缘固定的位置固定连接于柔性膜外。3.根据权利要求2所述的基于转动驰振的电磁式风能采集器，其特征在于，所述钝体的底部具有开口，柔性膜的外缘通过压环固定连接于所述钝体的底部开口的内缘，所述刚性连接件和所述支撑柱靠近所述柔性膜的内缘的端部均设有夹板，柔性膜被夹持固定于刚性连接件的夹板和支撑柱的夹板之间，所述刚性连接件和所述支撑柱通过柔性膜从而和所述钝体的刚性壳间接连接。4.根据权利要求1至3中任一所述的基于转动驰振的电磁式风能采集器，其特征在于，所述机电转换组件还包括永磁体阵列框架，永磁体阵列框架至少有两排，所述永磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺学锋，何官敏，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：