永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置的制造方法
【专利摘要】本发明提出了一种永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置，包括两种支撑形式：两侧双支撑型和中间单支撑型，翼段采用永磁悬浮支撑，采用电磁感应的换能方式，利用永磁悬浮支撑翼段的气动弹性振动来发电，取消了现有翼段气动弹性振动发电装置设计中的机械弹性支撑元件，从根本上避免了翼段支撑元件的疲劳问题。永磁悬浮支撑采用了线性轴承作为支撑杆配合翼段做沉浮运动的导向装置，并将悬浮环形永磁体固连在支撑杆上，避免了悬浮环形永磁体与圆柱套筒的面接触，降低了永磁悬浮支撑的摩擦力。永磁悬浮支撑具有非线性刚度特性，可以通过调整圆柱套筒两端固定环形永磁体的间距来改变悬浮环形永磁体的非线性刚度特性，使翼段能在较低的风速下发生颤振运动。
【专利说明】
永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置
技术领域
[0001]本发明涉及风致振动能量收集领域，具体为一种永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置，利用永磁悬浮、气动弹性振动现象和电磁感应原理，将风能转化为电能。
【背景技术】
[0002]现有气动弹性振动能量收集技术主要依靠弹性支撑翼段在气流中的气动弹性振动现象，包括颤振、涡激振动、驰振等，先将风能转化为机械振动能量，再通过压电换能或者电磁感应方式，将机械振动能量转化为电能，实现发电的目的。在现有气动弹性振动能量收集技术中，一般采用机械弹簧或悬臂梁作为翼段的弹性支撑结构，来提供翼段的沉浮或俯仰刚度。
[0003]但是提供翼段沉浮刚度的机械弹簧或悬臂梁元件，在长期的振动特别是颤振发电过程中，容易出现疲劳问题，严重影响气动弹性振动发电装置的使用寿命和可靠性，本发明的目的就是设计一种取消弹性机械支撑元件的翼段气动弹性振动发电装置，彻底避免疲劳问题。
【发明内容】
[0004]为解决现有技术中，提供翼段沉浮刚度的机械弹簧或悬臂梁元件，在长期的振动特别是颤振发电过程中，容易出现疲劳问题，严重影响气动弹性振动发电装置的使用寿命和可靠性的技术问题，本发明提出了一种永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置，包括两种支撑形式:两侧双支撑型(图1)和中间单支撑型(图5)，翼段采用永磁悬浮支撑，采用电磁感应的换能方式，利用永磁悬浮支撑翼段的气动弹性振动来发电，取消了现有翼段气动弹性振动发电装置设计中的机械弹性支撑元件，从根本上避免了翼段支撑元件的疲劳问题。
[0005]本发明的技术方案为:
[0006]所述一种永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置，包括翼段(1)、两个翼段支撑结构
(3)和基座(9)，翼段支撑结构(3)底部固定在基座(9)上；
[0007]其特征在于:
[0008]两个翼段支撑结构(3)分布在翼段(I)两端，翼段(I)的刚轴(2)两端分别与一个翼段支撑结构(3)的支撑杆(12)端部转动连接，翼段(I)能够绕刚轴轴线自由转动；
[0009]所述翼段支撑结构(3)包括支撑杆(12)和圆柱套筒(5);圆柱套筒(5)两端固定安装有线性轴承(10);两端的线性轴承(10)的轴向内侧分别固定安装有固定环形永磁体;支撑杆(12)穿过圆柱套筒(5)，并通过线性轴承(10)圆柱套筒(5)配合，固定环形永磁体与支撑杆(12)间隙配合;支撑杆(12)中部固定有卡位轴套(11)，卡位轴套(11)上固定有悬浮环形永磁体(4);圆柱套筒(5)外表面缠绕线圈绕组(14)，线圈绕组(14)轴向范围覆盖固定环形永磁体与悬浮环形永磁体(4)之间的轴线间隙;线圈绕组(14)两端引线与外部负载连接；
[0010]所述固定环形永磁体与悬浮环形永磁体(4)采用轴向充磁，悬浮环形永磁体(4)端部与相邻固定环形永磁体端部为同性磁极；
[0011]所述支撑杆(12)、圆柱套筒(5)、卡位轴套(11)、线性轴承(10)采用非磁性材料。
[0012]所述一种永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置，包括翼段(I)、翼段支撑结构(3)和基座(9)，翼段支撑结构(3)底部固定在基座(9)上；
[0013]其特征在于:
[0014]翼段支撑结构(3)处于在翼段(I)中部;翼段(I)中部具有缺口，缺口内有刚轴(2)，刚轴(2)与翼段支撑结构(3)的支撑杆(12)端部转动连接，翼段(I)能够绕刚轴轴线自由转动；
[0015]所述翼段支撑结构(3)包括支撑杆(12)和圆柱套筒(5);圆柱套筒(5)两端固定安装有线性轴承(10);两端的线性轴承(10)的轴向内侧分别固定安装有固定环形永磁体;支撑杆(12)穿过圆柱套筒(5)，并通过线性轴承(10)圆柱套筒(5)配合，固定环形永磁体与支撑杆(12)间隙配合;支撑杆(12)中部固定有卡位轴套(11)，卡位轴套(11)上固定有悬浮环形永磁体(4);圆柱套筒(5)外表面缠绕线圈绕组(14)，线圈绕组(14)轴向范围覆盖固定环形永磁体与悬浮环形永磁体(4)之间的轴线间隙;线圈绕组(14)两端引线与外部负载连接；
[0016]所述固定环形永磁体与悬浮环形永磁体(4)采用轴向充磁，悬浮环形永磁体(4)端部与相邻固定环形永磁体端部为同性磁极；
[0017]所述支撑杆(12)、圆柱套筒(5)、卡位轴套(11)、线性轴承(10)采用非磁性材料。
[0018]进一步的优选方案，所述一种永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置，其特征在于:圆柱套筒(5)两端的固定环形永磁体的轴向间距可调。
[0019]进一步的优选方案，所述一种永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置，其特征在于:悬浮环形永磁体(4)与圆柱套筒(5)内侧壁不接触。
[0020]有益效果
[0021]本发明提出的永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置，采用永磁悬浮支撑，取消了现有翼段气动弹性振动发电装置设计中的机械弹性支撑元件，从根本上避免了弹性支持结构的疲劳失效冋题。
[0022]永磁悬浮支撑采用了线性轴承作为支撑杆配合翼段做上下沉浮运动的导向装置，利用滚动摩擦降低了摩擦力；并将悬浮环形永磁体固连在支撑杆上，避免了悬浮环形永磁体与圆柱套筒的面接触，进一步降低了永磁悬浮支撑的摩擦力。
[0023]永磁悬浮支撑具有非线性刚度特性，且刚度可调，可以通过调整圆柱套筒两端的固定环形永磁体的间距来改变悬浮环形永磁体的非线性刚度特性，使翼段能在较低的风速下发生颤振运动。
[0024]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0025]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0026]图1:两侧双支撑型永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置示意图；
[0027]图2:永磁悬浮支撑C-C剖视图；
[0028]图3:第一种永磁悬浮支撑磁极配置示意图；
[0029]图4:第二种永磁悬浮支撑磁极配置示意图；
[0030]图5:中间单支撑型永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置示意图；
[0031 ]图6:中间单支撑型永磁悬浮翼段；
[0032]图7:两侧双支撑型实施例示意图(基础在下，翼段在上)；
[0033]图8:两侧双支撑型实施例示意图(基础在上，翼段在下)；
[0034]图9:两侧双支撑型实施例示意图(基础在翼段侧面)；
[0035]图10:中间单支撑型实施例示意图(基础在下，翼段在上)；
[0036]图11:中间单支撑型实施例示意图(基础在上，翼段在下)；
[0037]标号:1、翼段;2、刚轴;3、翼段支撑结构;4、悬浮环形永磁体;5、圆柱套筒;6、第一固定环形永磁体;7、第二固定环形永磁体;8、连接法兰;9、基座；10、线性轴承；11、卡位轴套;12、支撑杆;13、旋转接头;14、线圈绕组;15、引线；16、外接电阻。
【具体实施方式】
[0038]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0039]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0040]此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0041]本发明针对现有技术中，提供翼段沉浮刚度的机械弹簧或悬臂梁元件，在长期的振动特别是颤振发电过程中，容易出现疲劳问题，严重影响气动弹性振动发电装置的使用寿命和可靠性的技术问题，设计了两种支撑形式的永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置:两侧双支撑型(图1)和中间单支撑型(图5)，翼段采用永磁悬浮支撑，采用电磁感应的换能方式，利用永磁悬浮支撑翼段的气动弹性振动来发电，取消了现有翼段气动弹性振动发电装置设计中的机械弹性支撑元件，从根本上避免了翼段支撑元件的疲劳问题。
[0042]对于两侧双支撑型，如图1所示，该翼段I具有沉浮直线运动和绕刚轴2的俯仰扭转运动共2个自由度，在翼段刚轴2两端分别采用翼段支撑结构3来提供沉浮刚度，翼段在俯仰自由度上无支撑，从而允许翼段绕其刚轴作自由俯仰运动。采用这种设计方式，取消了全部机械弹性支撑元件，通过永磁悬浮支撑方式的翼段支撑结构进行支撑，翼段支撑结构的刚度可调，使翼段能在较低的风速下发生颤振运动。
[0043]对于中间单支撑型，如图5所示，该翼段I具有沉浮直线运动和绕刚轴2的俯仰扭转运动共2个自由度，在翼段中间前缘开槽，槽内刚轴2采用单个翼段支撑结构3来提供沉浮刚度，翼段在俯仰自由度上无支撑，从而允许翼段绕其刚轴作自由俯仰运动。采用这种设计方式，取消了全部机械弹性支撑元件，通过永磁悬浮支撑方式的翼段支撑结构进行支撑，翼段支撑结构的刚度可调，使翼段能在较低的风速下发生颤振运动。
[0044]两侧双支撑型及中间单支撑型翼段仅支撑位置和支撑数目不同，所支撑的自由度及所用永磁悬浮支撑方式的翼段支撑结构完全相同。
[0045]永磁悬浮支撑方式的翼段支撑结构3如图2?图4所示。翼段支撑结构3包括支撑杆12和圆柱套筒5;圆柱套筒5两端固定安装有线性轴承10;两端的线性轴承10的轴向内侧分别固定安装有固定环形永磁体;支撑杆12穿过圆柱套筒5，并通过线性轴承10圆柱套筒5配合，固定环形永磁体与支撑杆12间隙配合;支撑杆12中部固定有卡位轴套11，卡位轴套11上固定有悬浮环形永磁体4;圆柱套筒5外表面缠绕线圈绕组14，线圈绕组14轴向范围覆盖固定环形永磁体与悬浮环形永磁体4之间的轴线间隙；线圈绕组14两端引线与外部负载连接；固定环形永磁体与悬浮环形永磁体4采用轴向充磁，悬浮环形永磁体4端部与相邻固定环形永磁体端部为同性磁极;支撑杆12、圆柱套筒5、卡位轴套11、线性轴承10采用非磁性材料。
[0046]永磁悬浮支撑方式的翼段支撑结构设计利用了同极相斥的永磁悬浮原理，使一组悬浮环形永磁体4悬浮在圆柱套筒5两端的固定环形永磁体之间，三组环形永磁体4、6、7均为轴向充磁，环形永磁体4、6、7的磁极方向自上至下分别为N—S — S — N—N—S(图3)，或者为S — N—N—S — S — N(图4)，圆柱套筒5通过法兰8连接在基座9上，可以通过调整线性轴承10的高度，进而改变圆柱套筒两端的固定永磁体的间距，从而调节翼段支撑结构3的非线性刚度特性。使用卡位轴套11将悬浮环形永磁体4固定在支撑杆12的中段，支撑杆12的顶端通过旋转接头13与翼段的刚轴相连接，从而既能允许翼段绕刚轴自由旋转，又可实现对翼段刚轴的沉浮自由度的永磁悬浮支撑。线性轴承10作为支撑杆12的沉浮运动导向装置。
[0047]由于采用的永磁体悬浮支撑，与永磁体直接接触或距离较近的主要部件均应采用非磁性材料。
[0048]在圆柱套筒5外表面缠绕一定匝数和层数的漆包铜导线，构成线圈绕组14，在一定风速下，翼段发生气动弹性振动，从而通过支撑杆12带动悬浮环形永磁体4产生非线性振动，根据法拉第电磁感应定律，线圈绕组中的磁通量将发生变化并感应出电动势，将线圈绕组14两端引线15与外接电阻16形成通路即可输出电能。
[0049]所采取的永磁悬浮支撑方式的翼段支撑结构同时具备了两种作用，一方面替代了现有翼段的机械弹簧支撑，从根本上避免了弹性支持结构的疲劳失效问题，另一方面其直接与线圈绕组构成电磁感应换能器，用于进行气动弹性振动发电。
[0050]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【主权项】
1.一种永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置，包括翼段(I)、两个翼段支撑结构(3)和基座(9)，翼段支撑结构(3)底部固定在基座(9)上； 其特征在于: 两个翼段支撑结构(3)分布在翼段(I)两端，翼段(I)的刚轴(2)两端分别与一个翼段支撑结构(3)的支撑杆(12)端部转动连接，翼段(I)能够绕刚轴轴线自由转动； 所述翼段支撑结构(3)包括支撑杆(12)和圆柱套筒(5);圆柱套筒(5)两端固定安装有线性轴承(10);两端的线性轴承(10)的轴向内侧分别固定安装有固定环形永磁体;支撑杆(12)穿过圆柱套筒(5)，并通过线性轴承(10)圆柱套筒(5)配合，固定环形永磁体与支撑杆(12)间隙配合;支撑杆(12)中部固定有卡位轴套(11)，卡位轴套(11)上固定有悬浮环形永磁体(4);圆柱套筒(5)外表面缠绕线圈绕组(14)，线圈绕组(14)轴向范围覆盖固定环形永磁体与悬浮环形永磁体(4)之间的轴线间隙;线圈绕组(14)两端引线与外部负载连接； 所述固定环形永磁体与悬浮环形永磁体(4)采用轴向充磁，悬浮环形永磁体(4)端部与相邻固定环形永磁体端部为同性磁极； 所述支撑杆(12)、圆柱套筒(5)、卡位轴套(11)、线性轴承(10)采用非磁性材料。2.—种永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置，包括翼段(I)、翼段支撑结构(3)和基座(9)，翼段支撑结构(3)底部固定在基座(9)上； 其特征在于: 翼段支撑结构(3)处于在翼段(I)中部;翼段(I)中部具有缺口，缺口内有刚轴(2)，刚轴(2)与翼段支撑结构(3)的支撑杆(12)端部转动连接，翼段(I)能够绕刚轴轴线自由转动； 所述翼段支撑结构(3)包括支撑杆(12)和圆柱套筒(5);圆柱套筒(5)两端固定安装有线性轴承(10);两端的线性轴承(10)的轴向内侧分别固定安装有固定环形永磁体;支撑杆(12)穿过圆柱套筒(5)，并通过线性轴承(10)圆柱套筒(5)配合，固定环形永磁体与支撑杆(12)间隙配合;支撑杆(12)中部固定有卡位轴套(11)，卡位轴套(11)上固定有悬浮环形永磁体(4);圆柱套筒(5)外表面缠绕线圈绕组(14)，线圈绕组(14)轴向范围覆盖固定环形永磁体与悬浮环形永磁体(4)之间的轴线间隙;线圈绕组(14)两端引线与外部负载连接； 所述固定环形永磁体与悬浮环形永磁体(4)采用轴向充磁，悬浮环形永磁体(4)端部与相邻固定环形永磁体端部为同性磁极； 所述支撑杆(12)、圆柱套筒(5)、卡位轴套(11)、线性轴承(10)采用非磁性材料。3.根据权利要求1或2所述一种永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置，其特征在于:圆柱套筒(5)两端的固定环形永磁体的轴向间距可调。4.根据权利要求1或2所述一种永磁悬浮翼段气动弹性振动发电装置，其特征在于:悬浮环形永磁体(4)与圆柱套筒(5)内侧壁不接触。
【文档编号】H02K35/02GK105846644SQ201610397475
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】谷迎松, 杨智春, 贺顺, 陈兆林
【申请人】西北工业大学