一种基于转动颤振的微小型双稳态电磁式风力发电装置

本发明属于可再生能源和无线传感器网络领域，特别涉及到一种利用风致振动现象、电磁感应原理和双稳态结构将风能转换为电能的风力发电装置，该装置可作为自供能无线传感器网络节点的电源。

背景技术：

1、无线传感器网络技术在智慧地球、环境监测、国土安全监测等领域具有广阔应用前景。无线传感器网络节点目前大多采用传统的化学电池供电，这些电池具有寿命短、对环境温湿度要求高和不环保等缺陷。将环境中广泛存在的振动能、风能、流水动能等转换为电能的电磁式发电装置具有寿命长、无污染、免维护等优点，是无线传感器网络节点的一种极具潜力的电源，已成为国内外微能源研究的热点之一。

2、风能是自然界广泛存在的一种清洁能源，基于风致振动的风力发电装置是驱动无线传感器网络节点的一种理想电源。近年来，风致振动现象已经被应用到微小尺度的风能采集领域，风致振动现象是指固体结构在受到风的作用时发生振动的现象。基于风致振动的风力发电装置利用风致振动现象将风能转换为微小结构的振动能，进一步利用压电效应、电磁感应、静电感应或摩擦电等机电转换原理将微小结构的振动能转换为电能。在以上几类基于风致振动的风力发电装置中，利用电磁感应实现机电转换的电磁式风力发电装置具有更好的长期稳定性和可靠性，实用价值大。

3、自然环境中风的方向通常是随着时间而变化的。但是，现有基于风致振动的电磁式风力发电装置对不同方向的风能的采集效率差异很大，导致其在风向变化的环境中的输出很不稳定，影响了这些装置的实际应用。研制对不同方向的风能均具有高采集效率的风致振动电磁式风力发电装置具有十分重要的意义。

4、本发明提供了一种基于转动颤振的微小型双稳态电磁式风力发电装置，其通过采用机械屈曲或磁力实现双稳态，进而达到提高输出功率的目的。该装置具有可靠性高、稳定性好、无污染、免维护和风向适应性强的优点，在无线传感器网络等领域具有广阔应用前景。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于转动颤振的微小型双稳态电磁式风力发电装置，该装置可以将环境中不同方向的风能转换为电能，并可以在野外长期稳定、可靠地工作，是无线传感器网络节点等的一种理想电源。

2、为了实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

3、一种基于转动颤振的微小型双稳态电磁式风力发电装置，其是由底座、立柱、弹性梁、钝体外壳、电磁式机电转换单元和磁力组构成。其中，电磁式机电转换单元包含永磁体阵列和线圈阵列；钝体外壳包含侧壁、顶板和底板，立柱的一侧固定在底座上，另一侧从钝体外壳的底板中间插入到钝体外壳的内部，钝体外壳侧壁、顶板、底板和立柱形成一个全封闭、内空的空间，立柱的一部分在钝体外壳外部并与底座固定在一起，立柱的另一部分在钝体外壳内部；弹性梁作为弹性支承结构将钝体外壳与立柱连接在一起；磁力组外围永磁体固定在钝体内壁，内部永磁体固定在立柱上；电磁式机电转换单元位于钝体外壳的内部与外部环境完全隔离开。

4、为了便于描述，假设立柱是竖直安装的，即立柱垂直于水平面。为了确保钝体的风致振动主要为转动颤振，即绕立柱的转动类风致振动，钝体外壳的高度(即沿立柱方向的尺寸)大于其横截面的特征尺寸(如圆柱形钝体外壳的直径)。

5、钝体外壳的底板由刚性板和柔性膜构成，刚性板为圆环形，其外周固定于钝体外壳侧壁的底部，柔性膜的外周固定于刚性板的内周，柔性膜的内周通过夹持的方式固定在立柱上，在风致振动过程中，钝体外壳底板的刚性板，以及钝体外壳的顶板和侧壁都不发生变形，而底板的柔性膜则发生变形。

6、电磁式机电转换单元采取两种永磁体阵列和线圈阵列组合方式，一是永磁体阵列采取海尔贝克排列方式，线圈阵列围绕永磁体阵列周边布置；二是设置多层正对着的永磁体阵列，其中任意相邻两层永磁体的磁极方向相同，即任意两层永磁体之间为吸引力，并在任意两层永磁体的中间设置一层线圈阵列。

7、对于电磁式机电转换单元，考虑到永磁体阵列的质量通常远大于线圈阵列，推荐的方式是将电磁式机电转换单元的永磁体阵列固定于立柱上，线圈阵列固定于钝体外壳上；如果制作工艺能够确保线圈阵列与永磁体阵列之间的距离降低至200微米以下，则可以减小永磁体的尺寸和质量，此时也可以将永磁体阵列固定于钝体外壳上，线圈阵列固定于立柱上。

8、弹性梁包括1到3组，每一组弹性梁包含1至3根沿着圆周方向均匀设置的弹性梁，每一根弹性梁的形状和尺寸均相同，每一根弹性梁由一根具有初始弯曲的曲梁和一个折弯顺次连接而成，曲梁的另一端固定于钝体外壳内部的立柱上，折弯的另一端固定于钝体外壳上。每一组弹性梁包含的弹性梁根数推荐值为3，每一根弹性梁绕圆周方向顺时针转动120°和240°即可与其他2根弹性梁的位置重合。当弹性梁的组数为1时，钝体外壳在发生风致振动时易于发生不同于绕立柱的转动类振动(如绕垂直于立柱水平面内某轴的转动类振动)，将弹性梁的组数增加为2到3时可以减小钝体外壳不同于绕立柱的转动类振动，但增加弹性梁的组数会增加结构的刚度从而使发电装置的启动风速增加。曲梁使弹性梁存在两种稳定状态，导致钝体和弹性梁在风致振动过程中可周期性地跨越两个势阱做大幅值转动颤振，进而提高了电学输出。

9、为避免钝体外壳在风载荷作用下沿着径向产生过大的位移，增加磁力组。虽然磁力组的外围永磁体和内部永磁体可设置成斥力形式或引力形式，但引力形式可能导致内外永磁体离得太近所需的分离力很大，故本发明采用斥力形式布置。在风载荷作用下，钝体外壳发生转动模式的振动，钝体外壳存在两个静态平衡位置，即两个稳态，在风力作用下能实现双稳态突变跳跃转动。双稳态突变跳跃转动可由弹性梁或磁力组单独实现，亦可由弹性梁和磁力组共同配合实现。

10、本发电装置裸露于环境的部件包括底座、立柱和钝体外壳，裸露部件均选用低密度、耐腐蚀、耐高低温、高强度的材料，如碳纤维、玻璃钢、塑料或铝等，钝体外壳表面涂有疏水涂层。

11、当风向在水平面内任意变化时，钝体外壳受到绕立柱的气动力矩的作用发生绕立柱的转动颤振，导致机电转换单元的线圈阵列相对于永磁体阵列发生相对运动，导致通过线圈阵列的磁通量发生周期性变化，进而导致线圈阵列两端产生交变的电势差并为外部负载供电。本发明提供的电磁式风力发电装置，具有可批量化生产、长期稳定性好和可靠性高等诸多优点，该发电装置同时也可以用于采集流水动能，在无线传感网络等领域具有广阔的应用前景。

12、相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

13、1、本发明提供的电磁式风力发电装置，其通过模块化的设计将弹性梁、机电转换单元与外部环境完全隔离，裸露与外部环境的钝体外壳、立柱和底座均采用耐腐蚀、耐高低温、高强度的材料，最大程度地降低了日晒雨淋、粉尘等对弹性单元和机电转换单元的影响，具有可以在野外长期稳定、可靠工作的优点；

14、2、本发明提供的电磁式风力发电装置，当风向在水平面内变化时，钝体外壳发生绕立柱的转动颤振，由于钝体外壳绕立柱转动的刚度保持不变，因此该装置可以采集平面内不同方向的风能，具有对风向适应性好的优点；

15、3、本发明提供的电磁式风力发电装置，其采用双稳态结构设计，在两个不同势阱间突变跳跃，显著增大了钝体外壳的转动幅值和线圈阵列和永磁体阵列之间的相对运动幅度，进而提高了输出功率；

16、4、本发明提供的电磁式风力发电装置，其电磁式机电转换单元包含永磁体阵列和线圈阵列，汝铁硼等永磁体的磁性能在不同季节的温度变化范围内是稳定的，工作数年也不会有明显降低，相对于常规的压电式和摩擦电式发电装置而言，本装置的长期稳定性更佳。