具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供一种微小型电磁式风力发电装置。需要说明的是，本申请提供的微小型电磁式风力发电装置应用于任何季节的野外场景。

如图1所示，在本申请的一实施例中，所述微小型电磁式风力发电装置包括底座10、钝体20和不锈钢弹簧50。所述不锈钢弹簧50设置于所述底座10和所述钝体20之间。所述不锈钢弹簧50的一端与底座10固定连接，另一端与所述钝体20固定连接。所述钝体20包括一个封闭的容纳空间30。所述容纳空间30内设置有电磁式机电转换单元40，所述电磁式机电转换单元40用于将振动能转化为电能。所述不锈钢弹簧50用于与所述钝体20配合作用，将风能转化为振动能。

具体地，所述钝体20可以为一个多边形的壳体。钝体20和底座10的外表面不设置有凹坑或者下凹的部分，这可以避免底座10和钝体20裸露在空气中的表面避免有凹坑或者下凹的部分，避免积水和积尘。可选地，钝体20和底座10的顶面可以为平面或凸面。

风吹过钝体20时，钝体20受到风载荷作用，钝体20将在不锈钢弹簧50上发生风致振动，电磁式机电转换单元40跟随钝体20一起振动，实现将风能转化为振动能。电磁式机电转换单元40可以将振动能进一步转化为电能，实现为无线传感节点等供电。

本实施例中，微小型电磁式风力发电装置由底座10、不锈钢弹簧50和钝体20构成。钝体20包括一个封闭的容纳空间30，所述容纳空间30内设置有电磁式机电转换单元40。不锈钢弹簧50的一端与底座10固定连接，另一端与所述钝体20固定连接。风吹过钝体20时引起钝体20振动，实现风能向振动能的转化。通过设置钝体20，使得风吹过钝体20时，钝体20在不锈钢弹簧上振动，实现风能向振动能的转化。通过在钝体20内设置一个封闭的容纳空间30，并将电磁式机电转换单元40设置于该封闭的容纳空间30，使得钝体20在带动电磁式机电转换单元40振动时，电磁式机电转换单元40可以将振动能转化为电能。由于电磁式机电转换单元40处于封闭的容纳空间30中，使得电磁式机电转换单元40与外部环境完全隔离开，不会受到外界空气和液体的侵蚀，从而使得整个微小型电磁式风力发电装置可以在野外长期稳定工作。

如图1所示，在本申请的一实施例中，所述钝体包括上壁板210、多个侧壁板220和底板230。所述上壁板210、所述多个侧壁板220和所述底板230共同包围形成所述容纳空间30。所述不锈钢弹簧50与所述底板固定连接，以使所述不锈钢弹簧50与所述钝体20整体固定连接。

具体地，不锈钢弹簧50的作用是作为风致振动的一个弹性部件，当风吹过钝体20时，风载荷会导致不锈钢弹簧50变形，从而导致钝体20在不锈钢弹簧50上振动。容纳空间30虽然是封闭的，但是其内部一定是真空，为了降低加工成本，容纳空间30的内部可以为常压的空气。

本实施例中，通过本实施例的设置，钝体20既可以内部形成封闭的容纳空间30，又可与不锈钢弹簧50固定连接。

如图2所示，在本申请的另一实施例中，所述钝体20还可以是其他结构的形状。在图2示出的实施例中，所述钝体20为顶部封闭且底部开口的壳体。所述钝体20包括上壁板210、多个侧壁板220和底板230。所述上壁板210和多个侧壁板220包围形成一个顶部封闭且底部开口的壳体。所述上壁板210、底板230和多个侧壁板220包围形成所述封闭的容纳空间30。所述不锈钢弹簧50与所述底板230固定连接，以使所述不锈钢弹簧50与所述钝体20整体固定连接。

具体地，钝体20的底部开口是为了不锈钢弹簧50可以伸入钝体20，和底板230固定连接。如图1所示，在本申请的一实施例中，所述电磁式机电转换单元40包括多个电磁式振动能采集器400。所述多个电磁式振动能采集器400，叠放且固定设置于所述底板230的表面。所述电磁式振动能采集器400用于采集不同方向的振动能。每一个电磁式振动能采集器400采集一个方向的振动能。

具体地，如图1所示，图1中的电磁式振动能采集器400为两个，叠放设置，均设置于所述容纳空间30内部。如图3所示，电磁式振动能采集器400的形状为长方体。两个电磁式振动能采集器400的采集振动能的方向均为其长方体的长度方向(长度方向即长方体最长边的方向)。可以理解，两个电磁式振动能采集器400的采集振动能的方向是互相垂直的。后文如果提及“长度方向”一词，统一含义为一个物体或结构的最长边的方向。

本实施例中，通过设置叠放设置的多个电磁式振动能采集器400，可以实现采集来自于不同方向的振动能，间接的提高了发电效率。

在本申请的另一实施例中，所述电磁式机电转换单元40只包括一个电磁式振动能采集器400。该电磁式振动能采集器400可以同时采集多个方向的振动能。

如图3和图4所示，在本申请的一实施例中，所述电磁式振动能采集器400包括外框架410。所述外框架410包括顶盖411、左底板412、右底板413和底板414。所述顶盖411、左底板412、右底板413和底板414包围形成一个长方体框架。所述顶盖411包括多个顶盖滑槽415。所述底板414包括多个底板滑槽416。

具体地，在电磁式振动能采集器400随着钝体20进行振动时，外框架410的设置可以保护外框架410内部设置的其他部件结构不受损坏。

如图3和图5所示，在本申请的一实施例中，所述外框架410包括多个线圈支架417和多个线圈阵列418。所述每一个线圈阵列418嵌设于所述线圈支架417中。所述线圈支架417的数量与所述线圈阵列418的数量相等。所述线圈支架417的一端嵌入左底板412，并与所述左底板412通过螺钉固定连接。所述线圈支架417的另一端嵌入右底板413，并与所述右底板413通过螺钉固定连接。每一个线圈阵列418由M个矩形线圈419顺次连接，M为大于2的正整数。

具体地，所述线圈阵列418可以由导电性能优异的材料制成，例如铜。所述线圈支架417设置有沟槽，所述线圈阵列418可以嵌入所述沟槽，使得线圈支架417和线圈阵列418拼接形成一个整体，牢固且稳定。所述线圈阵列418可以为板状。所述线圈支架417的一端嵌入左底板412，并与所述左底板412通过螺钉固定连接。所述线圈支架417的另一端嵌入右底板413，并与所述右底板413通过螺钉固定连接。

可选地，如图6所示，M个矩形线圈419的尺寸相同，沿长度方向顺次连接，构成一个线圈阵列418。

本实施例中，通过设置外框架410包括线圈支架417和线圈阵列418，并设置线圈支架417和左底板412以及右底板413的连接方式，使得整个外框架410形成一个牢靠的结构整体。

如图3和图5所示，在本申请的一实施例中，所述电磁式振动能采集器400还包括内框架420。所述内框架420包括多个永磁体阵列421、一个上框架422和一个下框架424。每一个永磁体阵列421均嵌设于所述上框架422的内表面。所述上框架422的外表面设置有多个上框架滑槽423。每一个永磁体阵列421均嵌设于所述下框架424的内表面。所述下框架424的外表面设置有多个下框架滑槽425。每一个永磁体阵列421由N个矩形永磁体426顺次连接，N为大于1的正整数，例如，可以选择N＝M-1或N＝M。

具体地，所述永磁体阵列421可以选用磁性能优异的材料，例如钕铁硼材料。所述上框架422的截面可以为一个长条状结构。所述下框架424的截面可以为一个“凹字形”结构。

如图6所示，N个矩形永磁体426沿长度方向顺次连接，形成一个永磁体阵列421，长度方向即上框架422和下框架424最长边的方向。可选地，N个矩形永磁体426尺寸相同，沿长度方向顺次连接构成一个永磁体阵列421。

如图6所示，在本申请的一实施例中，一个矩形永磁体426的一面设置有S极，另一面设置有N极。在一个永磁体阵列421中，在同一个表面，矩形永磁体的S极和N极交替排布。

此外，单个矩形永磁体426在长度方向的长度，可以等于单个矩形线圈419在长度方向的长度。

本实施例中，在电磁式振动能采集器400随着钝体20进行振动时，上框架422和下框架424的设置可以保护框架内部设置的永磁体阵列421不受损坏。

如图3和图5所示，在本申请的一实施例中，所述电磁式振动能采集器400还包括至少一个第一弹簧431、至少一个第二弹簧432、至少一个第一滚轮433和至少一个第二滚轮434。

所述第一弹簧431的一端与左底板412固定连接。所述第一弹簧431的另一端与下框架424固定连接。所述第二弹簧432的一端与右底板413固定连接。所述第二弹簧432的另一端与下框架424固定连接。所述第一滚轮433设置于顶盖滑槽415和上框架滑槽423扣合形成的空间内。所述第二滚轮434设置于底板滑槽416和下框架滑槽425扣合形成的空间内。

为了避免外框架410和内框架420发生直接接触，所述第一滚轮433的直径大于顶盖滑槽415的深度和上框架滑槽423的深度之和。所述第二滚轮434的直径大于底板滑槽416的深度和下框架滑槽425的深度之和。

具体地，所述第一弹簧431和第二弹簧432成对出现，数量不限。如图3所示，第一弹簧431有两个，第二弹簧432有两个，一个内框架420通过一个第一弹簧431和一个第二弹簧432和外框架410连接。当然，一个内框架420也可以通过任意数量个第一弹簧431和第二弹簧432和外框架410连接，但是第一弹簧431的数量和第二弹簧432的数量需相等。

可选地，第一弹簧431是焊接于所述左底板412和下框架424之间的。第二弹簧432是焊接于所述右底板413和下框架424之间的。

可选地，所述第一弹簧431和第二弹簧432可以预设特定的压力或拉力。通过第一弹簧431和第二弹簧432的设置方式，使得第一弹簧431和第二弹簧432既可以承受拉力，又可以承受压力。当风吹到钝体20上时，微小型电磁式风力发电装置整体上是线性振动。那么电磁式振动能采集器400整体就会形成一个谐振结构，具有其自身的固有频率，且不受外界的振动频率变化而变化。

第一弹簧431和第二弹簧432的设置还可以在电磁式振动能采集器400振动时，防止内框架420直接与外框架410接触，避免内框架420与外框架410产生碰撞，防止碰撞导致能量损失。

第一滚轮433和第二滚轮434的作用是，为了使得内框架420和外框架410之间发生相对运动，具体地，是使得永磁体阵列421和线圈阵列418之间发生相对运动。

由于所述第一滚轮433的直径大于顶盖滑槽415的深度和上框架滑槽423的深度之和，以及所述第二滚轮434的直径大于底板滑槽416的深度和下框架滑槽425的深度之和。可以理解，第一滚轮433的一部分嵌入至顶盖滑槽415的，一部分嵌入至上框架滑槽423，还有一部分裸露在外。同理，第二滚轮434一部分嵌入至底板滑槽416，一部分嵌入至下框架滑槽425，还有一部分裸露在外，因此外框架410和内框架420不会发生直接接触。这样电磁式振动能采集器400振动时，第一滚轮433可以在顶盖滑槽415和上框架滑槽423之间自由滚动，使得永磁体阵列421和线圈阵列418之间更容易发生相对运动。第二滚轮434同理，不再赘述。

具体地，当钝体20受到风载荷作用时，钝体20将在不锈钢弹簧50上发生风致振动，电磁式机电转换单元40里面的电磁式振动能采集器400跟随钝体20一起振动，导致电磁式振动能采集器400的永磁体阵列421和线圈阵列418之间发生相对运动，从而可以引起通过线圈阵列418的磁通量发生变化，在线圈阵列418的两端将产生感生电动势，利用该电势差就可以为无线传感节点等供电。

本实施例中，当钝体20受到风载荷作用时，通过设置第一弹簧431和第二弹簧432，可以使得电磁式振动能采集器400就会形成一个谐振结构，具有其自身的固有频率，且不受外界的振动频率变化而变化。通过设置第一滚轮433和第二滚轮434，可以使得永磁体阵列421和线圈阵列418之间发生相对运动，从而可以引起通过线圈阵列418的磁通量发生变化，在线圈阵列418的两端将产生感生电动势，利用该电势差就可以为无线传感节点等供电。

如图5和图7所示，在本申请的一实施例中，所述永磁体阵列421和线圈阵列418并列且间隔设置于所述顶盖411和所述底板414之间。

具体地，例如，图5中的电磁式振动能采集器400就是由3个永磁体阵列421与2个线圈阵列418组成，具体结构形式是，永磁体阵列421-线圈阵列418-永磁体阵列421-线圈阵列418-永磁体阵列421。这种间隔设置的方式类似于夹心饼干的方式。

如图7所示，可选地，在相邻的间隔的两个永磁体阵列421中，在同一个矩形永磁体426的设置位置上，存在两个相邻的矩形永磁体426，一个矩形永磁体426的N极，与另一个矩形永磁体426的S极相对设置。

本实施例中，通过所述永磁体阵列421和线圈阵列418并列且间隔设置，使得每一个永磁体阵列421都可以和一个线圈阵列418之间发生相对运动，提高发电效率，不会存在没有被利用的永磁体阵列421或线圈阵列418。

在本申请的一实施例中，微小型电磁式风力发电装置整体的固有频率和电磁式机电转换单元40的固有频率满足以下公式1；

其中，f₁₀为微小型电磁式风力发电装置整体的固有频率。f₂₀为电磁式机电转换单元40的固有频率。k₁为不锈钢弹簧50的刚度。m₁为微小型电磁式风力发电装置的等效质量。k₂为所有第一弹簧431和第二弹簧432的刚度之和。m₂为内框架420的质量。

具体地，不锈钢弹簧50的刚度可以预先设计或测量，是已知量。微小型电磁式风力发电装置的等效质量也可以预先通过数学建模的方式通过模型计算，也是已知量。所有第一弹簧431和第二弹簧432的刚度可以分别预先测量，是已知量。内框架420的质量为永磁体阵列421、上框架422和下框架424的质量之和，可预先设计或测量，也是已知量。

因此，通过公式1的限制，可以使得风致振动过程中，永磁体阵列421与线圈阵列418之间的相对运动，和钝体20的运动之间发生共振关系，从而提高微小型电磁式风力发电装置的能量转换效率。

换言之，当微小型电磁式风力发电装置整体的固有频率近似等于电磁式机电转换单元40的固有频率时(本文用的限定条件具体见公式1)，发生共振，此时可以认为永磁体阵列421与线圈阵列418之间的相对运动是最大化的，那么振动能转化为电能的转化效率就是最大化的。

本实施例中，通过设定微小型电磁式风力发电装置整体的固有频率和电磁式机电转换单元40的固有频率满足公式1，使得永磁体阵列421与线圈阵列418之间的相对运动是最大化，从而使得整个微小型电磁式风力发电装置的振动能转化为电能的转化效率最大化。

在本申请的一实施例中，所述底座10和钝体20的表面涂覆有耐腐蚀的涂层。

具体地，底座10和钝体20的表面可以涂覆有耐腐蚀的涂层，以避免长时间在野外工作时被环境中的酸碱液体腐蚀。

可选地，所述底座10也可以直接选用耐腐蚀性能好、耐高低温、机械特性好、化学性质稳定的材料，而不必涂覆耐腐蚀涂层，例如不锈钢。同理，所述钝体20的壳体可以直接选用质量轻，耐腐蚀性能好，化学性质稳定的材料，例如玻璃钢或塑料，而不必涂覆耐腐蚀涂层。通过这种方式可以节省涂层的成本。

所述顶盖411、底板414、左底板412和右底板413可以选用质量轻，机械特性好的材料。最重要的是，这种材料需要与永磁体阵列421之间没有磁力的作用，这样不会影响电磁式振动能采集器400中，线圈阵列418和永磁体阵列421之间的相对运动。可选地，所述顶盖411、底板414、左底板412和右底板413的材料可以为铝或铝合金。底座10和钝体20的表面可以预先进行疏水，耐高温，耐低温的表面处理，进一步提高其对野外环境的适应性。

此外，如图9所示，本申请中的钝体20的形状可以根据风场的特点进行调整。钝体20的横截面可以是等边五边形，等边六边形等等边的多边形，也可以是不等边的多边形，或者两个或两个以上的立方体组合形成的形状。可选地，钝体20上也可以增加类似机翼形状的结构以进一步优化其气动特性。

此外，本申请中的不锈钢弹簧50也可以是不同形状的，如图8所示。采用图8的a方案中的“沙漏”形状的不锈钢弹簧50，由于其两头粗，中间细，因此可以更稳固的连接于钝体20和底座10上。

需要说明的是，本申请中提供的微小型电磁式风力发电装置可以安装在其他物体上，具体地，底座10可以安装在应用环境的特定物体上，不锈钢弹簧50可以是垂直于地面的。实际使用时，也可以根据实际需要改变本申请提供的微小型电磁式风力发电装置的安装方向，即改变不锈钢弹簧50与地面之间的夹角。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，各方法步骤也并不做执行顺序的限制，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。