一种微型低速风力发电机

本发明属于新能源，具体涉及一种微型低速风力发电机，用于自然界风能采集。

背景技术：

1、风能广泛存在于自然界中，风力发电已成为当今世界主流的能源之一。以往，人们只注重大规模风力发电系统的研究。近年来，无线传感网络技术的日趋成熟，并在环境监测、大型建筑物及桥梁的健康监测、工业、军事及公共安全等领域逐步获得应用。由于化学电池的能量有限、使用时间远远低于无线传感监测系统的寿命，故需经常更换，严重制约了无线传感网络监测系统在远程及危险环境中的推广应用。为实现相关无线传感监测系统的自供电，人们已经提出了多种形式的微小型压电式、电磁式及摩擦式风力发电装置，也称风车或风力发电机。其中，电磁风力发电机的优势在于可靠性，但低风速下的发电量及输出电压低，尚不能满足传感监测系统的自供电需求。

技术实现思路

1、本发明的一种微型低速风力发电机由机壳、机盖、激励轴、骨架、线圈、滚柱、电路板、轴承、轴承盖、耦合器、摩擦环及电极组构成。

2、本发明中，激励轴和机壳或机盖上分别设有电路板，电路板上设有能量收集、能量管理及能量存储单元。

3、本发明中，机壳、激励轴及骨架由非铁磁性材料制成，所述非铁磁性材料包括不锈钢、铝合金等金属及高分子塑料等。

4、耦合器由叶盘和叶片构成，叶片均布地安装在叶盘上。

5、机壳由壳底和壳壁构成，壳底与壳壁围成壳腔，壳底上设有轴套，轴套位于壳底的一侧或两侧，轴套的轴孔与壳腔同轴，轴孔与壳腔的轴线位于水平面内，轴套的内壁上设有轴孔凸环，轴孔凸环位于轴套的轴向对称中界面上，壳壁外侧设有底座。

6、激励轴由阶梯轴和激励盘构成，阶梯轴和激励盘为一体结构或分体结构组装而成，激励盘位于阶梯轴的端部，激励盘与阶梯轴同轴；激励盘的外缘上设有摩擦环和电极组，摩擦环和电极组镶嵌在激励盘外缘上的环槽内；电极组由左电极和右电极构成，左右电极均为由电极环和电极指构成指叉型电极，左右电极的结构及尺寸完全相同；电极组位于激励盘和摩擦环之间，即电极环和电极指位于激励盘和摩擦环之间，左右电极的电极环和电极指同轴，左右电极的电极指交叉排列，左右电极不接触；激励盘与摩擦环为分体结构或整体结构，激励盘与摩擦环为整体结构时通过注塑方法将电极组镶嵌在其内部；摩擦环的材料为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯或聚酰亚胺等高分子材料。

7、骨架的架体中心处设有架腔、外缘上均布有线框，架腔为圆筒腔，线框的内部设有线框腔，线框腔为圆筒腔、方腔或长方腔，线框腔为圆筒腔时其轴线与架腔的轴线平行，线框腔与架腔连通，线框的端部设有挡板，挡板的端面为圆弧面，架体、架腔及挡板围成线槽。

8、激励轴经轴承安装在机壳上，轴承的内圈套在激励轴的阶梯轴上、外圈套在机壳的轴孔内，轴承经轴承盖和耦合器的叶盘固定，轴承盖经螺钉安装在机壳上；轴承的外圈经轴承盖和轴孔凸环定位，轴承的内圈经阶梯轴的轴肩和耦合器的叶盘定位；激励盘位于壳腔内，阶梯轴位于壳腔的外部，耦合器的叶盘经螺钉安装在阶梯轴的端部。

9、机盖经螺钉安装在壳腔的端部，机盖将骨架压接在机壳的壳腔内，骨架的端部顶靠在壳底上，线框的端部的挡板顶靠在壳腔的内壁上；电路板经螺钉安装在机盖上，电路板置于壳腔内。

10、骨架的线框上安装有线圈，线圈缠绕在线框外缘上且置于线槽中，线框腔内部安装有滚柱，滚柱位于线圈的内部，线框将滚柱和线圈隔开；滚柱由永磁体与其外部的摩擦套构成，永磁体镶嵌在摩擦套的内部，摩擦套的材料为铝、铜、铝合金、铜合金或聚酰胺等；永磁体为圆柱形或正方形棱柱，永磁体的磁极沿径向分布，即永磁体沿径向充磁；线圈的轴线与滚柱的轴线垂直，滚柱的柱面顶靠在激励盘外缘的摩擦环上，两个圆周方向上相邻的滚柱间无相互作用力，即两个圆周上相邻电磁换能器中的滚柱之间无相互作用力；滚柱、摩擦环及电极组构成摩擦换能器，线圈与其内的滚柱构成电磁换能器，即线圈与其所在线框内的滚柱构成电磁换能器。

11、工作中，耦合器的叶片受风力作用时驱动激励轴转动，激励盘再通过摩擦环与滚柱间的摩擦力驱动滚柱旋转，滚柱转动时其磁极方向及通过线圈x的磁场强度交替地变化，电磁换能器中线圈切割磁力线发电；同时，滚柱与摩擦环间相对滚动的过程中其表面产生异种摩擦电荷，左右电极上产生感应电荷且其间的电势差交替地增加和减小，摩擦换能器发电；电磁换能器及摩擦换能器所生成的电能经不同的导线组输送到电路板，电能经转换处理后供给存储或输出。

12、本发明中，机壳、激励盘及骨架由非铁磁性材料制成，所述非铁磁性材料包括不锈钢、铝合金等金属或高分子塑料等。

13、本发明中，为获得较佳的发供电能力，线圈与滚柱的参数关系为：λ=l/d=2±1，δ=x/d=0.6±0.4，η=v/d=2.25±0.75,β=u/d=1.3±0.7, 其中，d为滚柱的直径，l为滚柱的长度，x、v和u分别为线圈的壁厚、径向宽度和高度，线圈的径向宽度是指线圈沿滚柱径向的宽度，δ、η和β分别称为线圈壁厚比、线圈宽度比和线圈高度比，δ、η和β统称为线圈参数比；本发明采用输出功率比评价发供电能力，输出功率比是指不同结构参数时所得功率与其最大值之比，所述输出功率为开路电压与短路电流的乘积。

14、现有的电磁式发电机都是利用线圈切割位于所述线圈外的运动磁体的磁力线发电，与之不同，本发明的风力发电机利用激励盘迫使线圈内部滚柱的滚动改变磁场方向与强度，从而使线圈切割其内部滚柱的磁力线发电；滚柱在线圈内部滚动过程中，磁极变化引起的线圈内磁场变化梯度大且每激励一次时滚柱产生转动多周、线圈多次切割磁力线，激励盘旋转一周时滚柱的磁极变化次数为n=r/r，其中r和r分别为激励盘和滚柱的半径，激励盘的半径是指激励盘上摩擦环的外半径。

15、优势与特色：两种原理发电方法有机结合，发电能力强；其中，电磁换能器激励过程简单、可靠，磁极在线圈内部翻转，磁场强度及其变化梯度大，低速时无需增速机构即可获得较大的输出电压；驱动轴旋转一周，线圈多次切割磁力线发电。

技术特征：

1.一种微型低速风力发电机由机壳、机盖、激励轴、骨架、线圈、滚柱、电路板、轴承、轴承盖、耦合器、摩擦环及电极组构成，耦合器由叶盘和叶片构成，机壳的壳底和壳壁构成壳腔，壳底上设有轴套；激励轴由阶梯轴及其端部的激励盘构成，激励轴装在机壳上，耦合器的叶盘装在阶梯轴上；激励盘外缘上设有摩擦环和电极组，电极组由指叉型的左右电极构成，电极组位于激励盘和摩擦环之间；机盖装在壳腔端部并将骨架压接在机壳的壳腔内；其特征在于：骨架中心处设有架腔、外缘上均布有线框，架腔为圆筒腔，线框的内部设有线框腔，线框腔与架腔连通；骨架的线框上装有线圈，线框腔内部装有滚柱，滚柱位于线圈内，线框将滚柱和线圈隔开；滚柱由永磁体与其所套的摩擦套构成，永磁体沿径向充磁；线圈的轴线与滚柱的轴线垂直，滚柱的柱面顶靠在激励盘外缘的摩擦环上；滚柱、摩擦环及电极组构成摩擦换能器，线圈与其内的滚柱构成电磁换能器；耦合器的叶片受风力作用时经激励盘驱动滚柱旋转，摩擦换能器和电磁换能器发电。

2.根据权利要求1所述的一种微型低速风力发电机，其特征在于：摩擦环的材料为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯或聚酰亚胺，摩擦套的材料为铝、铜、铝合金、铜合金或聚酰胺，机壳、激励盘及骨架由非铁磁性材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种微型低速风力发电机，其特征在于：线框腔为圆筒腔、方腔或长方腔，线框腔为圆筒腔时其轴线与架腔的轴线平行，线框的端部设有挡板，架体、架腔及挡板围成线槽，线圈缠绕在线框外缘上且置于线槽中。

技术总结
本发明涉及一种微型低速风力发电机，属新能源技术领域。主要由机壳、机盖、激励轴、骨架、线圈、滚柱、电路板、耦合器、摩擦环及电极组构成，耦合器由叶盘和叶片构成，机壳壳底和壳壁构成壳腔；激励轴由阶梯轴及设有摩擦环和电极组的激励盘构成，激励轴装在机壳上，叶盘装在阶梯轴上；机盖装在壳腔端部并将骨架压接在壳腔内；骨架中心处设有架腔、外缘上均布有线框，线框的内部设有线框腔，线框腔与架腔连通；骨架的线框上装有线圈，线框腔内部装有滚柱；滚柱由永磁体与摩擦套构成，滚柱的柱面顶靠在激励盘的摩擦环上；耦合器的叶片受风力作用时经激励盘驱动滚柱旋转，线圈切割磁力线发电，滚柱与摩擦环滚动发电。

技术研发人员：张忠华,沈正鸿,黄喆人,姜卓颖,付琳菲,吴鸣,程光明,曾平
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15