专利名称：一种基于磁电效应的风能采集和风速测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于磁电效应的风能采集和风速测量装置。
背景技术：
人类使用的主要能源是石油和天然气，随着人口的不断增加和人民生活水平的提高，对能源的需求量不断增大，而可供开采和利用的石油和天然气越来越少。人类将面临能源危机，因此开发利用新能源成为迫在眉睫的任务。为保护环境节约资源，人类正在加大风能、水能和太阳能等可再生资源的开发力度。取之不尽、用之不竭的风能是理想的绿色环保能源。目前风力发电设备中发电机是利用电磁感应原理，当风力带动风车叶片旋转，驱动风 力发电机机头的转子(电磁体或者永磁体)转动，使定子绕组切割磁力线来促使发电机发电。根据转子的不同，发电机可以分为电励磁发电机和永磁体发电机。永磁体发电机利用稀土永磁体钕铁硼作为转子，和传统的电励磁电机相比，不需要专门的绕组和相应的装置，具有结构简单，运行可靠，损耗小等优点。小型风力发电装置一般采用永磁体发电机。目前风速的测量方法有毕托管测风速、热线热膜测风速、超声波测风速以及机械式传感器测风速，各种测量方法有自己的适用范围和优缺点。但对于风能采集和风速测量需要采用不同的装置，操作复杂。
发明内容本实用新型的目的是利用磁电复合材料的磁电效应，提供一种能同时进行风能采集和风速测量的装置。为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案一种基于磁电效应的风能采集和风速测量装置，包括底座、永磁体、换能结构、换能结构基座、风车和风车基座；所述永磁体、换能结构基座和风车基座固定在底座上；所述永磁体呈U型，立于底座上，开口侧向右；所述换能结构和换能结构基座置于永磁体的U型腔内，换能结构包括齿轮、磁性体、转轴和定子；所述磁性体为圆环状，固连于齿轮下方，且与齿轮均套于所述转轴上，转轴底部连接在换能结构基座上；所述磁性体沿外周侧均匀设有若干个小永磁体，每个小永磁体之间通过非导磁体隔开；所述定子呈环形套装在磁性体外圈并固定在换能结构基座上，定子沿环形周面均匀设置有若干磁电复合材料；所述风车底部设置在风车基座上；所述风车转轴上固装传动齿轮，所述传动齿轮与所述换能结构的齿轮相啮合。本实用新型的进一步设计在于，所述定子设有一支撑环，支撑环内圈装有若干个隔片，每两个隔片之间设置一个磁电复合材料，每个磁电复合材料均为长度方向垂直于支撑环径向设置。本实用新型的进一步设计还在于，所述磁电复合材料包括两层磁致伸缩材料层和夹在两层磁致伸缩材料层之间的压电材料层；所述磁致伸缩材料层磁化方向为长度方向；所述压电材料层极化方向为厚度方向。[0009]所述定子的磁电复合材料为多个，被非导磁体隔开的小永磁体分别对应一个磁电复合材料；所述定子的磁电复合材料与磁性体的小永磁体的数量相当。所述相邻隔片的间距与磁电复合材料的宽度相当；磁电复合材料的长度与隔片和支撑环的高度相当。所述磁性体呈中空柱状，外周侧的小永磁体磁极沿轴向设置,且相邻小永磁体磁极相反。所述磁性体的上、下端面分别设有一非导磁圆盘。所述风车基座为中空 的圆柱体；所述风车转轴套装在所述风车基座中。所述永磁体为钕铁硼永磁体。本实用新型相比现有技术具有以下优点本实用新型采用钕铁硼永磁体产生较大的直流偏置磁场，使磁电复合材料中的磁致伸缩材料层沿长度方向磁化。小永磁体转动产生交变磁场，使通过定子中磁电复合材料的磁场发生周期性变化，诱发磁致伸缩材料层发生应变，传递到压电材料层，由压电效应产生交变电场输出，通过引线连接到蓄电池或大的储电电容，达到风能采集和储存的目的；同时输出的交变电场的频率和交变磁场的频率相同，而交变磁场的频率和带动小永磁体转动的传动齿轮的转速成正比，传动齿轮的转速又和风速成正比，因此通过测量输出的交变电场的频率即能实现风速的测量。

图I为本发明风能采集和风速测量装置的结构示意图。图2为图I中齿轮和磁性体的结构示意图。图3为图I中定子的立体透视图。图4为图3的俯视图。图5为图3和图4中磁电复合材料的结构示意图。图中，I-底座，2-换能结构基座，3-风车基座，4-永磁体，5-风车，6_传动齿轮，7-齿轮，8-转轴，9-小永磁体,10-非导磁体，11-磁电复合材料，12-支撑环，13-隔片，14-磁致伸缩材料层，15-压电材料层，16-引线，17-磁性体，18-风车转轴，19-定子。
具体实施方式
下面结合具体实施方式
对本实用新型风能采集和风速测量装置进行详细说明。参见图1，本实用新型风能采集和风速测量装置，包括底座I、换能结构基座2、换能结构、风车基座3、永磁体4、风车5、风车转轴18和传动齿轮6。永磁体4采用钕铁硼永磁体，呈U型，开口向右安装在底座I上。换能结构基座2固定在底座I上、永磁体4的U型槽内，转轴8通过轴承设置在换能结构基座2上。换能结构置于换能结构基座2上，且处于永磁体4产生的较大的直流偏置磁场中。换能结构包括齿轮7、磁性体17、转轴8和定子19。定子19包括若干磁电复合材料11和支撑环12。磁性体17为圆环状，固定在齿轮7的下方，且和齿轮7同轴套在转轴8上，再将定子19固定套装在磁性体17的外圈，即把支撑环12固定在换能结构基座2上。风车基座3是中空的圆柱体，将带有三个叶片的风车5的风车转轴18通过轴承安装在风车基座3中。传动齿轮6固定套在风车5的风车转轴18上随风车转动，为了转动稳定，风车基座3也起到支撑传动齿轮6的作用。传动齿轮6与换能结构中的齿轮7相啮合。参见图2，磁性体17呈中空柱状，外周侧的小永磁体9磁极沿磁性体的轴向设置，且相邻小永磁体磁极相反，即一个N极朝外，另一个S极朝外。每个小永磁体9之间通过非导磁体10相隔，且相邻小永磁体之间的S极和N极反相设置。风车基座3要比换能结构基座2高出一部分，以保证传动齿轮6和齿轮7相啮合。结合图3和图4，支撑环12为中空的筒状结构，高度与磁性体17的高度相同。支撑环12内壁沿高度方向均匀分布多个隔片13，相邻隔片13与支撑环12内壁围成的空间大小与其内的磁电复合材料11相适配，磁电复合材料11插入其中，通过隔片固定在支撑环12上。支撑环12套于磁性体17的外侧。磁性体17和定子19之间稍微留有空隙。永磁体4 为磁电复合材料11提供较大的直流偏置磁场，所以换能结构基座2的桌面可以选择较薄的导磁材料，可使磁电复合材料11中的磁致伸缩材料沿长度方向磁化，可以根据所用磁电材料的磁电耦合特性，选择最佳偏置磁场大小，设定钕铁硼永磁体4的大小和尺寸。参见图5，因为三层磁电复合材料的磁电效应大于双层，所以磁电复合材料11使用条状的三层磁电复合材料，即是在两层磁致伸缩材料中间夹一层压电材料的三明治结构。上下两层为磁致伸缩材料层14(或是磁致伸缩相)，中间层为压电材料层15(或是压电相)。磁致伸缩材料一般选择具有巨磁致伸缩效应的铽镝铁合金(Terfenol-D，TbhDy/eh)。定向生长的多晶铽镝铁合金，其晶粒取向沿长度方向，即磁畴尽可能沿着长度方向排列。当沿长度方向施加直流偏置磁场，其磁致伸缩可以达到150(T2000ppm。也可以是铽镝铁合金和聚合物(PVDF，聚偏氟乙烯)形成的磁致伸缩复合材料。磁致伸缩材料层14沿长度方向磁化。压电材料，可以是具有强压电效应的锆钛酸铅(PZT)系压电陶瓷、铌镁酸铅系压电陶瓷或钛酸钡系压电陶瓷，或者是压电陶瓷和聚合物(PVDF，聚偏氟乙烯)形成的压电复合材料。压电材料层15沿厚度方向极化,在压电材料层15的上下主表面镀上电极，压电材料层15的长度略大于磁致伸缩材料层14，在压电材料层15的伸长部位焊接上引线16。用环氧树脂粘合剂将磁致伸缩材料层14和压电材料层15粘合在一起，构成三明治结构层状磁电复合材料11。磁致伸缩材料层14和压电材料层15的大小可以选择长度为IOmm或者更小，宽度为4 5mm,每层的厚度可以相等,大小为O. 5mnTlmm。图5中的箭头表示磁致伸缩材料层14沿长度方向磁化，压电材料层15沿厚度方向极化。当风车5的风车转轴18带动传动齿轮6转动，从而带动齿轮7绕转轴8转动，磁性体17上的小永磁体9随之转动，则通过每个磁电复合材料11的磁场发生周期性的变化，其效果等同于一个交变磁场，经由磁电效应，磁电复合材料11中感生出交变电场，通过引线16将其与储能装置连接，实现风能、电能的转换以及风能的储存。测量某一个磁电复合材料11输出的交变电场的频率，再转换成相应的风速大小，可以实现风速的测量。在磁性体17的上、下两侧可以粘上由非导磁材料制成的非导磁材料圆盘，这样可以避免永磁体4所产生的磁场对小永磁体9的影响。同时为磁电复合材料11提供较大的直流偏置磁场。
权利要求1.一种基于磁电效应的风能采集和风速测量装置，其特征在于所述装置包括底座、永磁体、换能结构、换能结构基座、风车和风车基座；所述永磁体、换能结构基座和风车基座固定在底座上；所述永磁体呈U型，立于底座上，开口侧向右；所述换能结构和换能结构基座置于永磁体的U型腔内；所述换能结构包括齿轮、磁性体、转轴和定子；所述磁性体为圆环状，固连于齿轮下方，且与齿轮均套于所述转轴上；所述转轴底部连接在换能结构基座上；所述磁性体沿外周侧均匀设有若干个小永磁体，每个小永磁体之间通过非导磁体隔开；所述定子呈环形套装在磁性体外圈并固定在换能结构基座上；所述定子沿环形周面均匀设有若干磁电复合材料；所述风车底部设置在风车基座上；所述风车转轴上固装传动齿轮，所述传动齿轮与所述换能结构的齿轮相啮合。
2.根据权利要求I所述的基于磁电效应的风能采集和风速测量装置，其特征在于所述定子设有一支撑环，支撑环内圈装有若干个隔片，每两个隔片之间设置一个所述磁电复合材料，每个磁电复合材料均为长度方向垂直于支撑环径向设置。
3.根据权利要求I所述的基于磁电效应的风能采集和风速测量装置，其特征在于所述磁电复合材料包括两层磁致伸缩材料层和夹在两层磁致伸缩材料层之间的压电材料层；所述磁致伸缩材料层磁化方向为长度方向；所述压电材料层极化方向为厚度方向。
4.根据权利要求I所述的基于磁电效应的风能采集和风速测量装置，其特征在于所述定子的磁电复合材料为多个，被非导磁体隔开的小永磁体分别对应一个磁电复合材料；所述定子的磁电复合材料与磁性体的小永磁体的数量相当。
5.根据权利要求I所述的基于磁电效应的风能采集和风速测量装置，其特征在于所述相邻隔片的间距与磁电复合材料的宽度相当；磁电复合材料的长度与隔片和支撑环的高度相当。
6.根据权利要求I所述的基于磁电效应的风能采集和风速测量装置，其特征在于所述磁性体呈中空柱状,外周侧的小永磁体磁极沿轴向设置,且相邻小永磁体磁极相反。
7.根据权利要求I所述的基于磁电效应的风能采集和风速测量装置，其特征在于所述磁性体的上、下端面分别设有一非导磁圆盘。
8.根据权利要求I所述的基于磁电效应的风能采集和风速测量装置，其特征在于所述风车基座为中空的圆柱体；所述风车转轴套装在所述风车基座中。
9.根据权利要求I所述的基于磁电效应的风能采集和风速测量装置，其特征在于所述永磁体为钕铁硼永磁体。
专利摘要本实用新型公开了一种基于磁电效应的风能采集和风速测量装置，该装置包括底座、永磁体、换能结构、换能结构基座、风车和风车基座；所述永磁体呈U型，换能结构和换能结构基座置于永磁体的U型腔内，换能结构包括齿轮、磁性体、转轴和定子；所述磁性体为圆环状，固连于齿轮下方，且与齿轮均套于所述转轴上，所述磁性体沿外周侧均匀设有若干个小永磁体，每个小永磁体之间通过非导磁体隔开；所述定子呈环形套装在磁性体外圈并固定在换能结构基座上，定子沿环形周面均匀设置有若干磁电复合材料；所述风车的转轴上固装传动齿轮，所述传动齿轮与所述换能结构的齿轮相啮合。本实用新型装置能同时实现风能的采集和风速的测量。
文档编号G01P5/06GK202443031SQ20122009214
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者周勇, 曹鸿霞, 武旭华, 赵静 申请人:南京信息工程大学