宽速度域磁力耦合压电风能采集器的制作方法

本发明涉及的是一种风力发电领域的技术，具体是一种宽速度域磁力耦合压电风能采集器。

背景技术：

传统的风力发电大多采用转动涡轮式装置，装置能量密度低、体积大，并不适用小型化工作。目前很多学者利用压电效应设计小型化风能采集器。目前大部分压电式风能采集设计都是通过风致振动反复弯曲贴在悬臂梁上的单层或双层压电片，从而将风能转换为电能。通过弯曲模式(d31)利用压电片，不仅压电常数低，而且压电片在反复的弯曲中很容易性能退化甚至损坏。风能采集装置还存在一个关键问题是环境适应性差。当风力较小时，很难驱动能量采集装置有效工作。而当风力很大时，又容易损坏能量采集装置。

技术实现要素：

本发明针对现有技术环境适应性差、能量密度低、可靠性低、压电常数难以满足需要的缺陷，提出一种宽速度域磁力耦合压电风能采集器，能够在不同风速范围下均启动工作采集风能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：风力旋转机构、发电装置以及设置于发电装置内并与风力旋转机构相连的转子，其中：风力旋转机构转动设置于发电装置的中心，发电装置的内部设有若干发电单元正对所述转子。

所述的风力旋转机构包括旋转轴以及设置于旋转轴上的若干杯式叶片。

所述的转子包括：中叶片和激励磁铁，其中：中叶片的两端分别与风力旋转机构和激励磁铁固定连接。

所述的发电装置包括：壳体及设置于其内部的控制单元和若干与之相连的发电单元，其中：每个发电单元包括一个磁耦合压电发电机构和一个发电线圈，发电线圈与磁耦合压电发电机构间隔设置且分别与控制单元相连。

所述的磁耦合压电发电机构包括：压电层、伸张金属层和被激励磁铁，其中：压电层的至少一侧设有伸张金属层，被激励磁铁与压电层或伸张金属层相连且正对转子，被激励磁铁与激励磁铁的极性相反互相吸引。

所述的发电单元的个数优选与转子的个数相同且周向均布，相互对称的磁耦合压电发电机构上的被激励磁铁布置方式相反。

所述的壳体包括上固定板、下固定板以及设置于其间的若干连接安装板，所述的风力旋转机构通过轴承转动设置于上固定板和下固定板的中心。

所述的连接安装板的个数与发电单元相同。

所述的控制单元包括：包含整流模块和电能存储器件的压电发电电路、包含微继电器、整流模块和电能存储器件的电磁发电电路以及微控制模块，其中：压电发电电路与压电层相连，电磁发电电路与发电线圈相连，微控制模块分别与压电发电电路和电磁发电电路相连并传输控制信息。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过旋转将风力转换为周期性磁力作用到磁耦合压电发电机构，具有更高的机电耦合系数，提高了能量密度和可靠性；尤其通过多磁力耦合配置克服了反作用磁阻力矩，使得该装置在风力较小时也能有效工作，而当风力较大时，接通电磁感应发电线圈，同时通过磁耦合压电发电机构和发电线圈发电，俘获更多能量，并且采用电磁感应和压电效应两种风能与电能的转换方法，兼具压电发电和电磁感应发电的特点，有更广泛的应用领域。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的正视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明的仰视图；

图5为本发明的内部结构示意图；

图6为本发明中复合发电单元结构示意图；

图7为本发明的磁铁布置示意图；

图8为本发明中多磁力耦合示意图；

图9为本发明的工作流程示意图；

图中：1杯式叶片、2旋转轴、3上固定板、4下固定板、5连接安装板、6磁耦合压电发电机构、7发电线圈、8中叶片、9激励磁铁、10轴承、11压电层、12伸张金属层、13被激励磁铁、14控制单元。

具体实施方式

如图1-图5所示，本实施例中杯式叶片1固定在旋转轴2上端，旋转轴2分别与上固定板3和下固定板4通过轴承10连接，若干连接安装板5固定设置于上固定板3和下固定板4之间，连接安装板5与磁耦合压电发电机构6或发电线圈7固定连接，带有激励磁铁9的中叶片8与旋转轴2固定连接，控制单元14设置于下固定板底面内凹处且集成有压电发电电路、电磁发电电路和微控制模块。

如图6所示，所述的磁耦合压电发电机构6包括：压电层11、伸张金属层12和被激励磁铁13，其中：压电层11的两侧各粘接一个伸张金属层12，被激励磁铁13固定设置于一个伸张金属层12的凸起面。

如图7所示，所述的磁耦合压电发电机构6共四个且周向均布，相互对称的磁耦合压电发电机构6上的被激励磁铁13布置方式相反；对应中叶片的激励磁铁9有四个且周向均布，该四个激励磁铁按照s极外侧、n极内侧的方式分别固定安装于所述的中叶片的外端部。

所述的连接安装板有八个且周向均布，所述的连接安装板交错固定安装所述的磁耦合压电发电机构6和所述的发电线圈7。

如图8所示，当对称的激励磁铁接近对称的磁耦合压电发电机构6时，一个磁耦合压电发电机构6对接近的激励磁铁9产生磁排斥力，从而对旋转运动产生阻力矩，而与之对称的磁耦合压电发电机构6对接近的激励磁铁9产生磁吸引力，从而对旋转运动产生驱动力矩；当对称的激励磁铁离开对称的磁耦合压电发电机构6时，一个磁耦合压电发电机构6对离开的激励磁铁产生磁排斥力，从而对旋转运动产生驱动力矩，而与之对称的磁耦合压电发电机构6对离开的激励磁铁产生磁吸引力，从而对旋转运动产生阻力矩。在整个工作过程中，对称的磁耦合压电发电机构6对旋转运动的阻力矩都能被相互抵消。

如图9所示，当风吹入时，杯式叶片1旋转，带动旋转轴以及固定于旋转轴上的中叶片旋转，同时中叶片也受到风力驱动旋转，固定安装于中叶片末端的激励磁铁旋转，被激励磁铁与激励磁铁之间的距离发生变化，磁铁之间的距离变化导致磁力的变化，从而激励磁铁对磁耦合型换能器产生周期性磁力激励，磁力被两个伸张金属层放大、叠加传递到压电层，压电层发生形变，因为压电效应而发电，多个磁耦合型俘能器产生的电压通过电线输入控制单元的压电发电电路。当风力较弱时，电磁发电电路断开，即只有磁耦合压电发电机构6工作，通过多磁力耦合作用使得旋转运动的阻力矩总能被驱动力矩抵消，所以磁耦合压电发电机构6工作时对旋转运动的阻力很小，从而可以在风力较弱时有效工作。当风力较大，旋转速度增加，磁耦合压电发电机构6产生的电压频率增加，当电压频率超过设定值，则接通电磁感应发电线圈电路，电磁感应发电线圈开始发电。

本装置利用杯式叶片1与中叶片，将风力转换为旋转运动，然后转换为周期性磁力作用到磁耦合压电发电机构6，具有更高的机电耦合系数，提高了能量密度和可靠性；尤其通过多磁力耦合配置克服了反作用阻力矩，使得该装置在风力较小时也能有效工作，而当风力较大时，接通电磁感应发电线圈，同时通过磁耦合压电发电机构6和发电线圈发电，俘获更多能量，而且采用电磁感应和压电效应两种风能与电能的转换方法，兼具压电发电和电磁感应发电的特点，具有更广泛的应用领域。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。