基于转动驰振的电磁式风能采集器

摘要

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。

说明书

技术领域

本申请涉及风力发电技术领域，尤其是一种基于转动驰振的电磁式风能采集器。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

申请内容

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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，刚性连接件固定于外部指定的安装位置，永磁体阵列和刚性连接件在风致振动过程中均保持静止不动，电磁式风能采集器的运动部分只包含质量相对较小的线圈阵列、弹性件和钝体，现有的风致振动电磁式风能采集器主要分为线圈固定永磁体随钝体运动、永磁体固定线圈随钝体运动、永磁体与线圈均随钝体运动三种类型，本申请中的风能采集器采用永磁体部分固定，使线圈随钝体振动的方式，其运动部分的质量更小，更易于发生风致振动，从而降低了启动风速，提高了风能采集的效率。

为了减小运动部分的质量并提高电学输出，所述永磁体的厚度大于等于线圈的厚度。为了进一步使风致振动易于发生，需要尽可能降低运动部分的质量，为此，钝体、固定线圈阵列的线圈阵列框架均选用轻质材料，在满足刚度、强度和安装要求的条件下，一方面要减小钝体的刚性壳和柔性膜的厚度，另一方面，线圈阵列框架可以采用镂空结构。

可选的，电磁式风能采集器还包括支撑柱，支撑柱位于至少一个密封腔外，支撑柱的其中一端对应于刚性连接件和柔性膜内缘的位置固定连接于柔性膜外。电磁式风能采集器也可以不设有支撑柱，直接将刚性连接件与柔性膜内缘一起安装于预设好的安装位置，如安装底座、树枝、桥墩等等，在安装完成后，柔性膜的内缘被夹持在刚性连接件和安装位置之间。当电磁式风能采集器还包括支撑柱时，电磁式风能采集器还可以包括底座，支撑柱的另一端(远离柔性膜的一端)固定于底座上，底座可以和地面、桌面、建筑物表面、树枝等连接，也可以不设置底座，支撑柱的另一端直接和地面、桌面、建筑物表面、树枝等连接；底座不一定位于钝体的下侧，底座和钝体的位置关系根据安装条件确定。在其他的实施方式中，比如将底座连接于桥梁主梁的下面时，此时底座位于钝体的上侧。

可选的，为了适应野外的复杂环境，使得整个装置能够长期良好的工作，避免环境中雨水、暴晒、粉尘等对装置的影响，外露的部分(钝体、支撑柱、底座)的外表面均涂有光滑的防腐、防晒涂层。针对不同的使用场景以及安装环境，外露的部分还可以采用耐腐蚀、应用性强的刚性材料，如刚性壳和柔性膜将选用质量轻、不透水、耐腐蚀的材料，例如，刚性壳可选用不锈钢、铝、玻璃钢、塑料等材料，柔性膜可选用橡胶、纺织物、聚合物、软质塑料等材料，例如采用松软的薄橡胶膜。为了减少对环境的污染，外露的部分(钝体、支撑柱、底座)的材料都是具有高强度的环境友好型材料，支撑柱优选的采用刚性材料。线圈采用导电材料制作，例如铜等金属材料。线圈既可以是单圈的，也可以是多圈的。

同时将机电转换组件、弹性件、刚性连接件均设于其中的密封腔内，避免了日晒、雨淋、灰尘、腐蚀性物质等对机电转换组件、弹性件、刚性连接件的性能造成影响。

可选的，钝体的刚性壳的底部设有开孔，所述开孔由柔性膜、刚性连接件和支撑柱(如果有的话)封闭，柔性膜的外缘通过压环固定连接于钝体的底部的刚性壳的内侧；刚性连接件和支撑柱靠近柔性膜内缘的端部均设有夹板，柔性膜的内缘被夹持在刚性连接件和支撑柱之间，在制作时，将柔性膜内缘夹在这两个夹板之间，并用螺钉将两个夹板固定在一起即可。柔性膜的平面尺寸比开孔更大，以确保在安装完成后，柔性膜仍保持松弛状态，也就是说柔性膜不需要绷紧，这样就可以减小柔性膜对钝体振动的影响。通过以上措施，可以确保在钝体发生风致振动时，支撑柱不会与钝体的刚性壳发生碰撞。当没有支承柱时，柔性膜内缘则被直接夹持在刚性连接件的夹板和安装位置之间。

可选的，机电转换组件还包括永磁体阵列框架，永磁体阵列安装于永磁体阵列框架上，永磁体阵列框架固定于刚性连接件的远离柔性膜的一端，弹性件的远离刚性壳侧壁的一端夹持于刚性连接件和永磁体阵列框架之间。可选的，永磁体阵列框架包括上框架和下框架，上框架和下框架配合后形成用于安装永磁体的容纳腔，上框架和下框架分别设有相互配合的定位凹槽和定位凸台用于定位和辅助固定。上框架与钝体侧壁和钝体顶部之间均留有初始间隙，下框架与钝体侧壁、钝体底部和柔性膜之间均留有初始间隙，以确保钝体有足够的自由运动空间。

本申请中的单向电磁式风能采集器，永磁体阵列框架的下框架包括至少两排平行设置的下框架单元，上框架是一个一体的顶盖，也可以是分别独立的若干排单元连接形成，上框架与下框架通过侧面的延展平台使用螺栓固定连接；所述下框架底部两侧设置有凸台，用于夹持弹性件；上框架和下框架配合后形成至少两排永磁体阵列框架，每一排永磁体阵列框架包括一个或两个永磁体容纳腔，每一个永磁体容纳腔内沿着钝体的高度方向顺次连接的一列永磁体，每一列永磁体至少有两个。对于平面内多向电磁式风能采集器，在十字交叉的两个方向上均至少包括两排平行设置的下框架单元，其余设置方式与单向电磁式风能采集器相同。

弹性件可以是弹簧钢片、铍青铜片等，弹簧钢片与铍青铜片的厚度和宽度根据使用环境中的风速范围进行设置调整，铍青铜片具备无磁性的特点，热处理后性能可接近于弹簧钢片，可在受磁场影响较大的位置进行使用，弹性件还可以是扭转弹簧。

可选的，对于单向电磁式风能采集器，机电转换组件还包括线圈阵列框架，线圈阵列框架用于安装线圈阵列，线圈阵列框架有一排或多排，线圈阵列框架的排数比永磁体阵列框架的排数少一排，永磁体阵列框架的下框架包括至少两排平行设置的下框架单元，线圈阵列框架和下框架单元相间设置，其中每一排线圈阵列框架的两端均分别固定于钝体的相对的两个内侧壁上，每一排线圈阵列框架设有一个或两个线圈安装槽和一个或两个线圈出线孔，每一个线圈安装槽内沿着钝体的高度方向顺次连接的一列线圈，每一列线圈至少有一个线圈，每一列线圈的线圈个数比每一列永磁体的永磁体个数少一个。对于平面内多向电磁式风能采集器，其线圈阵列框架采用十字交叉型布置，在十字交叉的两个方向上均各至少设置一排线圈阵列框架，其余排布设置方式与单向电磁风能采集器相同。

线圈的引出线通过线圈出线孔引出，同一排线圈的引出线串联连接。用于固定线圈阵列框架的钝体的两个相对的内侧壁上设置有卡口，每一排线圈阵列框架在插入相应的卡口后用胶等进一步固定，从而实现线圈阵列框架和钝体的固定连接。每一排线圈阵列框架为薄片状，其平面形状可以为矩形。

弹性件的选择依据是使钝体在风的作用下易于发生转动驰振而不容易发生弯扭耦合振动，可以通过降低弹性件的总体扭转刚度或提高弹性件的总体平动刚度等措施来达到该目的，例如，若弹性件采用薄的矩形梁，则当梁的中性轴和线圈阵列框架所在的平面垂直时，钝体的风致振动主要就是转动驰振。

当一排线圈只有一列线圈的时候，这一列线圈的两侧分别设有一排、一列永磁体，即这一列线圈处于两列永磁体之间，而这一列线圈中的每一个线圈均处于四个永磁体形成的翻转磁场中；当一排线圈有两列线圈的时候，两列线圈的两侧也分别设有一排、一列永磁体，每一列也处于两列永磁铁之间，每一列线圈中的每一个线圈也均处于四个永磁体形成的翻转磁场中。

可选的，所述刚性连接件与所述永磁体阵列框架可以制作成一个结构，弹性件单独采用夹具进行固定，进而达到简化采集器结构的目的。

本申请提出的电磁式风能采集器在风的作用下发生的风致振动以转动驰振为主，其永磁体、线圈的布置是根据线圈在转动驰振过程中的运动轨迹来确定的。在发生转动驰振时，钝体绕弹性件的中性轴发生转动振动，对称设置于各排线圈阵列框架两侧的线圈的运动方向是相反的(一侧的线圈相对于永磁体向上运动，则另一侧线圈相对于永磁体向下运动)，因此，左右两侧的线圈产生的交流感生电动势之间的相位差是恒定的，或者为0°，或者为180°，该相位差由永磁体和线圈的安装方式确定，根据左右两侧的线圈感生电动势的关系就可以将所有的线圈电学串联在一起，从而提高输出电压。由以上分析可知，与基于弯扭耦合振动的电磁式风能采集器相比，本申请提出的基于转动驰振的电磁式风能采集器具有结构更为简单，更易于微小型化和成本更低的显著优点。

可选的，柔性膜和下框架均设有穿线孔，刚性连接件和支撑柱均为中空结构，线圈阵列框架还包括线圈连接槽，同一排线圈的引出线串联后从线圈连接槽引出进入支撑柱的中空部分，并且支撑柱的中空部分、柔性膜的穿线孔、刚性连接件的中空部分、及下框架的穿线孔均依次相连通。

可选的，在平行于刚性连接件的横截面的方向上，线圈阵列框架和下框架之间留有间隙，以确保在风致振动过程中，线圈阵列框架与下框架不会发生接触；相邻的两排永磁体阵列框架之间的间距应大于每一排线圈阵列框架的厚度。基于转动驰振的平面内多向电磁式风能采集器由于会产生沿不同方向的转动振动，因此，需要将两排永磁体之间的间距增加到足够大，以保证在产生任意方向的转动振动时，线圈阵列框架与永磁体阵列框架均不会发横碰撞。

可选的，每个线圈放置于相邻两列对应位置的永磁体的正中间，永磁体厚度大于等于线圈厚度。

本申请中的单向电磁式风能采集器中的永磁体阵列最少可以是两排一列永磁体，一列永磁体包括至少两个顺次连接的永磁体，线圈最少是一排一列，该排线圈设于两排永磁体之间，每一列线圈包括一个或多个沿钝体高度方向顺次连接的线圈，其中每一列线圈的个数比每一列永磁体的个数少一个，每一个线圈均处于相邻排、相邻列的对应位置的四个永磁体产生的翻转磁场中。当需要增加永磁体的数目的时候，永磁体的排数和列数可以根据需要任意增加，而线圈排数比永磁体的排数少一排，每一排线圈的列数等于每一排永磁体的列数，每一列线圈的线圈个数比每一列永磁体的个数少一个。本申请中的平面内多向电磁式风能采集器的永磁体阵列在十字交叉的两个方向各至少包含两排一列永磁体，线圈在两个方向上各至少包含一排一列，在单个方向上的排布方式与单向电磁式风能采集器相同。

所有的永磁体的形状和大小都可以设置成相同的，于其他的实施方式中，同一排的永磁体的形状和尺寸完全相同，不同排的永磁体尽管也有相同的形状和平面尺寸，但不同排的永磁体的厚度却可以不同。线圈的形状和大小根据永磁体的形状和大小进行选择。

可选的，钝体的形状可以为旋转体或非旋转体，旋转体包括圆柱形、球形、圆锥、圆台、球缺，非旋转体包括棱柱形或椭圆柱形。例如当钝体是圆柱形这种旋转体时，侧壁即圆柱形的侧面，水平方向上的各个方向的风都对刚性壳施加力的作用，因此发电装置正常工作的风向范围非常大。当钝体具有中心轴的时候，例如钝体为旋转体的时候，刚性连接件可以偏离钝体的轴心，也就是说，柔性膜位置可以偏离其中心，刚性连接轴也可以位于钝体的轴心，柔性膜也处于钝体的中心处。

柔性膜的形状可以是圆形的、椭圆的、诸如三角形、四边形、五边形等等的多边形的。压环的形状根据柔性膜的形状设置。刚性连接件的形状可以和支撑件的形状相同也可以不同，诸如圆柱形或棱柱形等。永磁体的形状可以选用矩形或扇形，线圈的形状也选用相应的形状，根据永磁体的形状设置。

可选的，钝体的底部包括至少一部分的柔性膜，钝体的侧壁为刚性壳，钝体的顶部是否为刚性壳或柔性膜不做限定，比如顶部可以全部采用刚性壳，装置结构相对简单，并且有利于降低加工成本，再者，还可以降低整个装置的刚度，从而降低整个装置的切入风速(启动风速)。

为了采集水平面内不同方向的风能，本申请中的永磁体阵列和线圈阵列可以设置多组，同一组内的成排设置的线圈和永磁体相互平行且相间设置。不同组内的永磁体方向不同，不同组之间的两排永磁体可以呈一定夹角设置，这个夹角可以是90°，60°，30°，45°，10°，20°等等。例如当同组之间的两排永磁体呈90°夹角设置的时候，不同组的永磁体呈十字交叉型进行布置。

基于转动驰振的电磁式风能采集器具备良好的扩展性，单个基于转动驰振的电磁式风能采集器仅对沿所述弹性件宽度方向的风载荷敏感，钝体将发生绕着弹性件中性轴的转动驰振。自然环境中的风速和风向是随着时间和空间而变化的。为了拓宽采集器的工作风速范围和风向范围，本申请还可以提供一种风能采集器组，包括安装在同一杆件上的多个任一如上的基于转动驰振的电磁式风能采集器。多个基于转动驰振的电磁式风能采集器沿圆周排列成阵列，或者将多个基于转动驰振的电磁式风能采集器沿特定球面排列成阵列，以进一步提升对不同方向的风能的采集能力。

同组的钝体可设置成相同的形状，此时钝体的几何尺寸可以略有差别，钝体的形状也可设置成不相同的，进行以上设置的目的是使同组中各钝体的工作风速范围和风向范围略有差别，并使工作风速范围和风向范围相邻的两个钝体的工作风速范围和风向范围相邻有重叠区间，从而实现同组结构的工作风速范围和风向范围的连续拓展。也就是说，当风速和风向在大范围内连续变化时，可以确保至少一个钝体具有高电学输出。

综上，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和刚性连接件，运动部分包括钝体和线圈以及弹性件。由于减小运动部分的质量可以有效提升风致振动，本申请将质量相对较大的永磁体固定于刚性连接件上，并通过刚性连接件固定于指定安装位置，永磁体和刚性连接件在风致振动过程中均保持不动，该电磁式风能采集器的运动部分只包含质量相对较小的线圈阵列、弹性件和钝体。现有的风致振动电磁式风能采集器的永磁体大多随着钝体的运动而运动，本申请中的电磁式风能采集器采用永磁体固定，线圈随钝体运动的方式，其运动部分的质量更小，更易于发生风致振动，从而降低了启动风速，并通过结构调整，能够实现对平面内任何方向风能的采集。

附图说明

图1是本申请中的实施例一提供的基于转动驰振的单向电磁式风能采集器的示意图；

图2是本申请中的实施例一提供的去掉机电转换组件和弹性件的采集器示意图；

图3是本申请中的实施例一提供的支撑柱、钝体底部、刚性支撑件、下框架之间的配合示意图和爆炸示意图，箭头从配合示意图指向指向爆炸示意图；

图4是本申请中的实施例一提供的风能采集器的俯视图；

图5是本申请中的实施例一提供的风能采集器的固定部分和运动部分的示意图；

图6从左往右依次是本申请中的实施例一提供的永磁体阵列框架和线圈阵列框架的配合示意图，永磁体和线圈阵列框架配合的示意图；

图7从左往右依次是本申请中的实施例一提供的上框架和下框架的分离的示意图和配合后的示意图；

图8是从上往下本申请中的实施例一提供的线圈阵列框架的正视图、俯视图和立体图；

图9是本申请中的实施例一提供的永磁体和线圈在垂直于线圈阵列框架的截面上的示意图，图中的两个箭头分别指的是宽度方向和高度方向；

图10是本申请中的实施例一提供的钝体的转动风致振动模式示意图；

图11是本申请中的实施例二提供的永磁体和线圈阵列框架配合的示意图；

图12是本申请中的实施例二提供的不同形状的钝体的示意图；

图13是本申请中的实施例三提供的基于转动驰振的平面内多向电磁式风能采集器的示意图；

图14是本申请中的实施例四提供的风能采集器组的示意图；

图15是本申请中的实施例五提供的风能采集器实验测试获得的输出开路电压有效值图；

图16是本申请中的实施例六提供的平面内多向电磁式风能采集器在不同风速、不同风向下测试获得的归一化输出功率图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

本申请中的固定连接包括螺纹连接、键连接、销连接粘接等这种连接后两者不再发生相对运动的连接方式。

本申请中的钝体指的是非流线体，在其边界上会形成流动分离，后部会产生尾流，并伴有旋涡脱落现象(可能是周期性或非周期性)。

本申请中的多个指的是两个和多于两个的任意数量。

本申请中的连接不仅包括直接连接还包括间接连接。

本申请中的柔性膜内壁指的是位于密封腔的那一侧，同样的，刚性壳内壁也指的是位于密封腔内的一侧。

刚性连接件的横截面指的是平行于钝体的底部的截面。

永磁体的两个磁极端的最短的连接线和永磁体的厚度方向平行，并且永磁体的厚度不大于永磁体的高度。

高度方向平行于侧壁的刚性连接件或支撑柱的轴线。

转动弛振指的是以转动为主的驰振。

实施例一

请参考图1至图10，本实施例提供一种基于转动驰振的单向电磁式风能采集器，包括钝体30、机电转换组件50、弹性件60、刚性连接件210及支撑柱211。钝体30包括柔性膜313和刚性壳310，柔性膜313和刚性壳310围成一个密封腔40，于其他的实施例中，密封腔可以为多个，钝体30的侧壁均由刚性壳310构成，钝体的底部312的一部分由柔性膜313构成；机电转换组件50包括永磁体阵列516和线圈阵列526，本实施例中的永磁体阵列519包括三排、两列永磁体520，每一列永磁体520包括两个顺次连接的永磁体520，同一列中相邻设置的永磁体520的极性相反，相邻排的永磁体520的异类磁极均相对设置，即一排永磁体520的南(S)极对着相邻一排永磁体520的北(N)极，，线圈阵列包括两排线圈，每相邻的两排永磁体520之间均设有一排线圈，每排线圈包括两个线圈，每个线圈均处于相邻排、相邻列的永磁体520产生的磁场中；弹性件60的两端分别固定于刚性壳310的内侧壁和永磁体阵列519；刚性连接件210的两端分别固定于底部的柔性膜313的内缘315和永磁体阵列519；其中，机电转换组件50、弹性件60、刚性连接件210均设于密封腔40内；并且多排线圈固定于刚性壳310的内侧壁。

本实施例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519、刚性连接件210及支撑柱211，运动部分包括钝体30、线圈阵列以及弹性件60。由于减小运动部分的质量更有利于产生风致振动，降低起振风速，本申请将质量相对较大的永磁体阵列519固定于刚性连接件210上，刚性连接件210通过支撑柱211或者直接固定在指定的外部安装位置，它们在风致振动过程中均保持不动，电磁式风能采集器的运动部分只包含质量相对较小的线圈阵列526、弹性件60和钝体30，因此与现有的风致振动电磁式风能采集器(线圈固定，永磁体随钝体振动，或者永磁体和线圈均随着钝体振动)相比，本申请中的风能采集器的运动部分的质量更小，更易于发生风致振动，降低了启动风速，提高了风能采集的效率。本实施例中钝体的转动驰振示意图如图10所示，弹性件60作为整个基于转动驰振的电磁式风能采集器的弹性结构。当风吹过时，钝体30受到气动力的作用，钝体30会发生绕着弹性件60中心轴转动的转动驰振，进而带动线圈阵列框架521发生转动振动，使得线圈525与永磁体520产生相对位移，进而产生电学输出。

电磁式风能采集器还可以包括底座10，支撑柱211的另一端(远离柔性膜313的一端)固定于底座10上，底座10可以和地面、桌面、建筑物表面、树枝等固定连接，也可以不设置底座10，支撑柱211的另一端直接和地面、桌面、建筑物表面、树枝等固定连接，底座也属于固定部分。

同时将机电转换组件50、弹性件60、刚性连接件210均设于其中的密封腔40内，避免了日晒、雨淋、灰尘、腐蚀性物质等机电转换组件50、弹性件60、刚性连接件210的性能造成影响。

于本实施例中，柔性膜313的外缘通过压环314固定连接于钝体的底部312的内缘，刚性连接件210和支撑柱211靠近柔性膜313内缘的端部均设有夹板，刚性连接件210和支撑柱211通过螺纹连接件固定连接，压环314沿着柔性膜313的外缘固定住柔性膜313，并且保持柔性膜313的松弛状态，也就是不必紧绷，从而减小柔性膜313对钝体30的振动的影响，钝体的底部312设有开孔，本实施中的开孔是圆孔，并且被柔性膜313密封，柔性膜313被夹持于刚性连接件210的夹板和支撑柱211的夹板之间，夹板的设置有利于增加接触面积，从而提高对柔性膜313内缘的夹持强度。

于本实施例中，钝体的底部312设置有开孔，开孔的设置是为钝体30转动振动预留所需的运动空间，使钝体30在转动振动的幅值不超过指定值时不与支撑柱211或刚性连接件210发生相互碰撞；使用柔性膜313对其进行密封，一方面可以对整个钝体30进行密封，另一方面，由于柔性膜刚度小，可以降低钝体30在发生转动驰振时受到的约束。

于本实施例中，机电转换组件50还包括永磁体阵列框架510，永磁体阵列519安装于永磁体阵列框架510上，永磁体阵列框架510固定于刚性连接件210的远离柔性膜313的一端，弹性件60的远离侧壁的一端夹持于刚性连接件210和永磁体阵列框架510之间。于本实施例中，永磁体阵列框架510包括上框架511和下框架514，上框架511和下框架514配合后形成用于容纳永磁体阵列519的容纳腔，容纳腔可以由上框架的凹槽512和下框架的凹槽515组合形成，容纳空间的尺寸、深度应略大于永磁体阵列519的尺寸，以方便安装。上框架511和下框架514分别设有相互配合的定位凹槽518和定位凸台513用于定位和辅助固定。上框架511与钝体30侧壁、钝体30顶部和柔性膜313之间均留有初始间距，以确保钝体30有足够的运动空间。

永磁体阵列框架510的下框架514包括三排平行设置的下框架单元，上框架511是一个一体的顶盖，也可以是分别独立的若干排连接形成，上框架511与下框架514通过侧面的延展平台使用螺栓固定连接；下框架514底部两侧设置有凸台516，用于夹持弹性件60。永磁体阵列框架510的下框架514的形状根据永磁体520的形状设置。三排下框架单元的底部通过连接板连接，在刚性连接件的顶部对应设有相应的连接板，通过螺纹件将下框架单元的连接板或凸台和刚性连接件的连接板固定连接，从而将永磁体下框架514和刚性连接件210固定连接。下框架单元的连接板和刚性连接件的连接板均为长条状，并且刚性连接件的连接板的长度最好以能够和凸台相接为宜，以夹持弹性件。并且，本实施例中的凸台的厚度要大于连接板的厚度，连接板厚度可根据实际应用场景进行调整，以增加其强度，厚度方向和和高度方向平行。三排下框架单元的连接板上设有供导线通过的孔517。

本实施例中的弹性件60可以是弹簧钢片，弹簧钢片的厚度和宽度可以根据使用环境中的风速范围进行设置调整。本实施例中的弹性件60的中心轴垂直于每一排线圈阵列框架521所在的平面。

如图4所示，本实施例中的钝体内还设有固定环610，固定环贴着钝体的内壁与其固定连接，用于辅助固定弹性件60。本实施例中的固定环610是环状的，但是于其他实施例中，还可以不是环状的，即在设有弹性件60的那一侧的侧壁内设有其他形状的固定结构，诸如三角支架等等。

于本实施例中，机电转换组件50还包括线圈阵列框架521，线圈阵列框架521用于安装线圈阵列，线圈阵列框架521有两排，永磁体阵列框架510的下框架514包括三排平行设置的下框架514单元，线圈阵列框架521和下框架514单元相间设置，两排线圈阵列框架521的两端分别和钝体30的内侧壁固定连接，每排线圈阵列框架521均设有两个线圈安装槽522和两个线圈出线孔523，同一排线圈均安装于同一排线圈阵列框架521的线圈安装槽522内。线圈安装槽522用于安装线圈525，可先用透明胶带对线圈阵列框架521一面进行封闭固定，安装好线圈后再向线圈安装槽522中注入硅胶或紫外胶进行固化处理；线圈出线孔523用于引出线圈525两端的输出引线，将对称放置的两个线圈525的其中两根引出线焊接后放置于线圈连接槽524中，使两个线圈进行电学串联，最后使用紫外线胶等对线圈连接槽524进行固化密封；电学串联后的输出线从线圈连接槽524中部引出。

具体地，关于对称的两个线圈525引出线的连接，首先需要判断永磁体阵列519的极性关系，再考虑线圈的绕制方向。在本实施例中，同一排线圈的两侧分别设有一排永磁体520，每一排永磁体包含两列，每一列包括两个顺次连接的永磁体520，也就是有两对相邻的永磁体520，每一对永磁体520均对应一个线圈，这两个线圈对称设于两对永磁体520所产生的翻转磁场中，为了描述方便，这里把同一排上的线圈称为左右两侧的线圈，左右两侧对称设置的永磁体阵列519的极性位置相同，安装的两个线圈525的绕线方向相同；由于钝体30的振动方式为转动运动，线圈阵列框架521绕中心点转动，左右两侧的线圈525运动方向相反，两个线圈525中产生的电流方向相反，因此，两个线圈应该按绕线方向反向连接，以实现电学串联。

如图9所示，图中的三个圆点的排布的方向指的是永磁体和线圈都可以按照圆点指示的方向进行增减，以适应不同的使用需求。于本实施例中，每一列永磁体519包含2个沿平行于钝体30顶部和底部中心点连线的方向顺次连接的永磁体520，永磁体520的南(S)极和北(N)极沿永磁体阵列框架510的厚度方向，两个永磁体520的南极和北极反向布置；固定于相邻两排永磁体阵列框架对应位置的两个永磁体520的南极和北极同向布置，因此两排永磁体阵列框架之间的磁力为吸引力；在制作采集器时使每个线圈525的顶边和底边分别位于四块相对设置的永磁体520的中部。

具体地，在本实施例中，在风的作用下，线圈阵列框架521随钝体30一起进行转动风致振动，为了保证线圈525在运动时能够始终处于翻转磁场中，提高机电转换效率，矩形永磁体阵列519的尺寸应该完全覆盖并大于线圈520的运动范围，线圈525位于相对设置的四块永磁体520的中心位置。

可选地，在本实施例中，选用弹性件60作为整个装置的弹性结构，也可以选用其它弹性结构来实现，例如扭转弹簧等；弹性件60的刚度会直接影响钝体30振动的频率，进而影响机电转换组件50的输出性能。弹性件60的长度、宽度以及厚度可选，弹性件长度越长、宽度越短、厚度越薄，则弹性件60的扭转刚度越小，钝体振动频率越低，其起振风速也会相对较低；反之，长度越短、宽度越长、厚度越厚，则弹性件60的扭转刚度越大，钝体振动频率越高，其起振风速也会相对较高。因此，可以根据现实环境中的风速状况，来调整弹性件60长度、宽度以及厚度的相互关系，以使整个基于转动驰振的电磁式风能采集器达到最佳使用状态。

需要说明，在本实施例中，机电转换组件50在进行机电转换时，均为无接触式转换；线圈525与永磁体阵列框架510之间留有间距，不会发生碰撞或摩擦，提升了装置的长期稳定性。为整个基于转动驰振的电磁式风能采集器在野外自然环境中长期工作提供了良好保障，体现出本装置在自然环境中应用的优势。

钝体30的内侧壁还设置有相对设置的卡口311，用于固定和安装线圈单元的线圈阵列框架，使得安装线圈的线圈阵列框架与钝体30固定连接，卡口的卡孔靠近钝体的底部设置，线圈阵列安装时从钝体的底部往上插入进行安装，于其他实施例中，也可以采取其他的固定安装结构。线圈阵列框架为薄片状，可以为矩形。

本申请提出的电磁式风能采集器在风的作用下以发生转动驰振为主，其永磁体520、线圈的布置是根据线圈在转动驰振过程中的运动轨迹来确定的。在发生转动驰振时，钝体30绕弹性件60的中性轴发生转动类风致振动，位于各排线圈阵列框架左右两侧的线圈的运动方向是相反的(一侧的线圈相对于永磁体520向上运动，则另一侧线圈相对于永磁体520向下运动)，因此，左右两侧的线圈产生的交流感生电动势之间的相位差是恒定的，或者为0°，或者为180°，该相位差由永磁体520和线圈的安装方式确定，根据左右两侧的线圈感生电动势的关系就可以将所有的线圈电学串联在一起，从而实现电学输出的叠加。由以上分析可知，与基于弯扭耦合振动的电磁式风能采集器相比，本申请提出的基于转动驰振的电磁式风能采集器具有结构更为简单，更易于微小型化和成本更低的显著优点。

于本实施例中，柔性膜313和下框架514均设有穿线孔，刚性连接件210和支撑柱211均为中空结构，线圈阵列框架521还包括线圈连接槽524，同一排线圈引出的引出线串联后从线圈连接槽524的引出后进入支撑柱211的中空部分212，并且支撑柱211的中空部分212、柔性膜313的穿线孔、刚性连接件210的中空部分212、及下框架514的穿线孔均依次相连通。

于本实施例中，在平行于刚性连接件210的横截面的方向上，线圈阵列框架521和下框架514之间留有间距，相邻下框架514的各排之间的间距大于线圈阵列框架的厚度，以避免在运动时线圈阵列框架521与永磁体阵列框架510发生碰撞或摩擦。

每排线圈阵列框架521的厚度为2mm，每两排永磁体阵列框架510之间的间距为4mm，使每一排线圈阵列框架521与相邻的永磁体阵列框架510之间的间距为1mm，制作采集器时使每个线圈的顶边和底边分别位于四块相对设置的永磁体的中线位置。

于本实施例中，为保证采集器的输出性能，需要增加永磁体的厚度，线圈525厚度可相对小一些，以降低其质量并易于发生风致振动，永磁体520厚度大于等于线圈的厚度。

于本实施例中，钝体30的形状是四棱柱。侧壁即四棱柱的四个侧面，水平方向上的各个方向的风都对刚性壳310施加力的作用，因此发电装置正常工作的风向范围非常大。当钝体30具有中心轴的时候，例如钝体30为旋转体的时候，刚性连接件210可以偏离钝体30的轴心，也就是说，柔性膜313位置可以偏离其中心，刚性连接轴也可以位于钝体30的轴心，柔性膜313也处于钝体30的中心处。

柔性膜313的形状可以是圆形的、椭圆的、诸如三角形、四边形、五边形等等的多边形的。压环314的形状根据柔性膜313的形状设置。刚性连接件210的形状可以和支撑件的形状相同也可以不同，诸如圆柱形或棱柱形等。永磁体520的形状可以选用矩形或扇形，线圈的形状也选用相应的形状，根据永磁体520的形状设置。

在本实施例中，底座10、支撑柱211以及钝体30均采用具有高强度的环境友好型材料制成，对环境不会产生污染。为了适应野外的复杂环境，使得整个装置能够长期良好的工作，避免环境中雨水、暴晒、粉尘等对装置的影响，在底座10、支撑柱211以及钝体30的外表面均涂上光滑的防腐、防晒涂层。

可选地，针对不同的使用场景以及安装环境，本实施例中的底座10以及支撑柱211可以替换为其它耐腐蚀、应用性强的刚性材料，如不锈钢等；钝体也可以使用环境适应性好、质量轻且防水的塑料制成。

为了进一步使风致振动易于发生，需要尽可能降低运动部分的质量，为此，钝体30、安装线圈阵列的线圈阵列框架均选用轻质材料，在满足刚度、强度和安装要求的条件下，钝体30的厚度要尽可能薄，线圈阵列框架可以采用镂空结构。

实施例二

除了钝体的形状和电磁式机电转换组件，实施例二提供的基于转动驰振的单向电磁式风能采集器和实施例一的风能采集器的各部分的构成、形状、布置等都和实施例一中的相同，在此不再赘述，以下仅不同之处予以说明。

实施例二中的钝体的形状是圆柱形或六棱柱形，钝体是可以更换的。

如图11所示，本实施例采用扇形永磁体70和扇形线圈80进行组合，能够使得采集器在转动驰振模式下，得到更佳的输出性能。扇形线圈80在扭转振动过程中，始终处于扇形永磁体的磁场范围之内。扇形线圈80与扇形永磁体70的排列方式、数量关系以及运动模式与实施例一中均相同，每个扇形线圈80放置于相对设置的四个扇形永磁体70中间位置，保证在线圈运动过程中能产生更大的磁通量变化。需要说明，本实施例的排列方式也适用于其它异形线圈和异形永磁体。在满足刚度、强度和安装要求的条件下，线圈阵列框架521可以采用镂空结构，降低线圈阵列框架质量。

如图12所示，本实施例中的钝体30的形状可以根据不同需求和应用场景进行调整更换。钝体30的横截面可以为圆形、正六边形等规则对称结构，也可选用其它特殊异型结构，以实现对风力的最大化利用。

实施例三

实施例一中所述单向电磁式风能采集器适用于风向平行于弹性件宽度方向的情形，为了采集水平面内不同方向的风能，为了采集平面内不同方向的风能，可采用图13所示的基于转动驰振的平面内多向电磁式风能采集器。将永磁体阵列框架510与线圈阵列框架521分别按十字交叉型进行布置，在相互垂直的两个方向上，每个方向分别设置两排永磁体阵列框架单元，两排之间设置一排线圈阵列框架。线圈仍可以处于两侧的至少两个永磁体产生的沿钝体高度方向的反向翻转磁场中。永磁体阵列519与线圈阵列525的排布方式与位置关系与实施例一中所述排列方式相同。在本实施例中沿着十字交叉连接的线圈阵列框架的四个方向均设置有弹性件，采用圆形外壳作为采集器钝体，将十字交叉连接的线圈阵列框架与钝体固定连接，使钝体能够在不同方向的风的作用下发生转动振动。当钝体受到风载荷作用时，中性轴垂直于风向的弹性件发生绕着中性轴的扭转振动，中性轴平行于风向的弹性件发生弯曲振动，钝体主要体现为转动驰振，即绕着中性轴垂直于风向的弹性件的中性轴转动。与实施例一相比，实施例三中的线圈阵列框架与永磁体阵列框架之间的初始间距要大一些，以避免垂直于风向的线圈阵列框架在转动驰振过程中与其两侧的永磁体阵列框架发生碰撞。本实施例中，弹性件的数量可以超过四个，如六个，永磁体阵列和线圈阵列也可以增加，例如可以设置相互之间的夹角为60°的三组永磁体阵列和线圈阵列，通过这种改进，可以进一步提高采集器对风向变化的适应能力更强；此外，弹性件的中性轴的方向可以与永磁体的排的方向不一致，例如二者之间的夹角可以取为10°、20°、30°和45°等角度。

实施例四

基于转动驰振的单向电磁式风能采集器具备良好地可扩展性，单个基于转动驰振的单向电磁式风能采集器仅对沿所述弹簧钢片宽度方向的风载荷敏感，钝体30将发生绕着弹簧钢片中心轴的转动驰振。自然环境中的风速和风向是随着时间和空间而变化的。如图14所示，为了拓宽工作风速范围和风向范围，本实施例提供一种风能采集器组，包括安装在同一杆件上的多个如实施例一或实施例二所述的基于转动驰振的单向电磁式风能采集器。本实施例中的电磁式风能采集器有三个，但是于其他实施例中，数据可以根据使用需求设置。

本实施例中的3个基于转动驰振的单向电磁式风能采集器沿圆周排列成阵列，于其他实施例中，也可以将多个基于转动驰振的单向电磁式风能采集器沿特定球面排列成阵列，以进一步提升对不同方向的风能的采集能力。本实施例中的单向电磁式风能采集器的形状和大小等都相同，并且支撑柱的长短也都相同，三个风能采集器之间设有一个连接节点，连接节点和底座之间用一根主支撑柱支撑。

实施例五

在实施例一的基础上，采用三维打印制作了图1所示基于转动驰振的单向电磁式风能采集器的刚性壳、磁铁阵列框架、线圈阵列框架以及支撑柱，钝体长63mm、宽63mm、高36mm，壁厚0.4mm，采用15mm×10mm×0.15mm弹簧钢片作为弹性件，钝体底部开孔的直径为30mm，柔性膜采用橡胶薄膜；机电转换组件采用三排永磁体与两排线圈的组合方式，每一排永磁体包含两列，每一排线圈包含两个线圈。永磁体采用N52汝铁硼磁铁制作，每个汝铁硼磁铁的尺寸为10mm×10mm×5mm；线圈采用直径为50μm的铜丝绕制，每个线圈的外尺寸为13mm×10mm×2mm，两排线圈的总内阻为1.6kΩ，同一排的两个线圈之间的净间距为18mm。

在风洞中对实施例五提供的电磁式风能采集器的性能进行了测试，实验中，风向垂直于迎风面吹到钝体上。随着风速的增加，测得的开路电压有效值如图15所示。采集器转动驰振的启动风速略低于4m/s，此后，开路电压有效值也随风速的增加而增加，在风速分别为4m/s和9m/s时，其开路电压有效值分别为4.6V和11.9V。

实施例六

在实施例三的基础上，制作了一个图13所示的基于转动驰振的平面内多向电磁式风能采集器样机，该样机的钝体的直径为68mm，高为35mm，壁厚为0.5mm；弹性件采用热处理后的铍青铜材料制作，其长度、宽度和厚度分别为22mm、5mm和100μm；永磁体与线圈材料、尺寸与实施例五所用尺寸相同，永磁体采用N52钕铁硼磁铁制作，每个汝铁硼磁铁的尺寸为15mm×8mm×5mm；线圈采用直径为50μm的铜丝绕制，每个线圈的外尺寸为15mm×8mm×3mm，单排线圈的总内阻为1.5kΩ，相对两排永磁体间距为10mm，同一排的两个线圈之间的净距离为18mm。

在风洞中对实施例六中的采集器样机的性能进行了测试，测试过程中保持风速不变，该风速8m/s。当风向与某弹性件的中性轴的夹角为0°时，平行于风向的线圈和垂直于风向的线圈的开路电压有效值分别为2.121V和0.875V；当风向与某弹性件的中性轴的夹角为15°时，平行于风向的线圈和垂直于风向的线圈的开路电压有效值分别为2.051V和1.106V；当风向与某弹性件的中性轴的夹角为30°时，平行于风向的线圈和垂直于风向的线圈的开路电压有效值分别为1.901V和1.548V；当风向与某弹性件的中性轴的夹角为45°时，平行于风向的线圈和垂直于风向的线圈的开路电压有效值分别为2.057V和1.941V。分别在两排线圈两端外接6kΩ负载电阻，测试负载两端输出功率，在5m/s、6.5m/s和8m/s风速下，两排线圈在各个方向下的最小输出功率总和与最大输出功率总和的比值分别为0.64、0.72和0.77，如图16所示给出的采集器样机在三个风速下各个方向的归一化输出功率，在任意方向均大于0.5，因此，从半功率的角度上讲，该样机实现了平面内全向风能的采集，能更好的应用于风向变化的场景。

本领域技术人员应理解的是，在本申请的揭露中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本申请和简化描述，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，因此上述术语不能理解为对申请的限制。

虽然本申请已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请，任何熟知此技艺者，在不脱离本申请的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本申请的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。