一种新型风力发电机的设计
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ｗｉｈ ｅ ｏ ｇ ｎ ｒ ｙ ｔ ｎ ｕ ｈ ｅ ｅ ｇ ．
Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：ｗｉ ｄ ｅ ｅ ｇ ，ｗｉ ｄ ｇ ｎ ｒ ｔ ｒ ｐ ｗｅ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｉｃ ｉ ｎ ｎ ｒｙ ｎ ｅ ｅ ａ ｏ ， ｏ ｒｍａ ａ ｅ ｎ ｒ ｕ ｔ，ｗｉｅｅ ｓ ｓ ｎ ｏ ｅｗｏ ｋ ｎ ｄ ｃ ｒｌｓ ｅ ｓ ｒ ｔ ｒ ｏ ｅ ｎ
（ ． ｏｌ ｅｏ ｎｏｍ ｔ ｎ ｈｊ ｎ ｎｖｒｉ ｆＴ ｃ ｎｌｇ ，Ｈ ｎ ｚｏ １０ ３ １ Ｃ ｌ ｇ ｆＩｆｒ ａｉ ，Ｚ ｅｉ ｇ Ｕ ｉ ｓｙ ｏ ｅｈ ｏｏｙ ｅ ｏ ａ ｅ ｔ ａ ｇｈｕ ３ ０ ２ ，Ｃ ｉａ பைடு நூலகம் Ｚ ｅｉｎ ｒｖｎ ｅ ｈｎ ；２ ｈｊ ｇ Ｐｏｉｃ ａ Ｍａｈｎ ｒ Ｅ ｕｐ ｎ ｏ ｐｅｅＢ ｒａ ， ｎｚｏ １０ ６ Ｃ ｉａ ｃ ｉｅｙ＆ ｑ ｉｍｅｔ ｍ ｌｔ ｕｅｕ Ｈａｇｈｕ３０ ０ ， ｈｎ ） Ｃ
高电动势 。 一般 的风力 发 电机 ， 扇尺 寸大发 电机尺 风 寸较小 ， 利于 提高发 电 电动势 ； 不 而新 型风力 发 电机
中发 电机尺寸与风扇 尺寸基本相 同 ， 具有一 定优势。
量 发生变 化 ， 而 产 生交 流 电动 势 ， 最终 为 网络 从 并
节点 供 电。 文 中还介 绍 了新 型 风 力 发 电机 的 设 计 和 对 锂 电池 进行充 电和放 电的 电源 管 理 电路 ； 通 过 白云 并
Ａｕｇ ２ ０ ． ０１
一
种新 型风 力发 电机 的设 计
张 端 郭 贤 ， 章苗根 何 熊熊 邹 涛 ， 慧 ， ，
（． １ 浙江 工业大 学 信 息 学院 ， 浙江 杭 州 ３ ０ ２ ；． １０ ３ ２ 浙江省 机械 设备成 套局 ， 江 杭 州 ３ ０ ０ ） 浙 １０ ６ 摘 要 ： 了解 决无 线传感 器 网络 节点 的供 电瓶 颈 问题 ， 出 了一 种通过 新 型风 力发 电机 将 风 能 为 提
ｒ ｓｓ ｏ ｓ ｔ ｓｒｂ ｔ ｈｅ ｖ ｌａ ｅ ｆｏｍ ｈ ａ ｔ ｒ ｅ ｉ ｔｒ ｏ ｄｉｔｉ ｕ ｅ ｔ ｏ ｔ ｇ ｒ ｔ ｅ ｂ ｔｅ ｙ．Ｔｈｅ ｅ ｏ ｅ，ｉ ａ ａｉ ｆ ｈｅ ｎｅ ｄ ｏ ｈ ｒ ｌ ｓ ｒｆ ｒ ｔｃ ｎ ｓ ｔｓｙ ｔ ｅ ｆｔ ｅ ｗｉｅ ｅ ｓ
基金项 目： 国家高科技计划项 目（０ ９ Ａ ４ １８ ； ２ ０ Ａ ０ ｚ３ ） 国家 自然科 学基金项 目（ ００ ０ ５ ６７ ４２ ） ６ ６４ １ ， ０７ ０ １ 。 作者简 介 ： 端（ ９ ２ ） 男 ， 江杭 州人 ， 张 １７ 一 ， 浙 副教授 ， 工学博士 。 主要从事机电系统和非线 性控 制研究 。
给 无线传 感 器 网络 节点 。 最终 的分析 和计 算结 果显 示新 型 风 力发 电机 和 电 源管理 电路 能够 实现 对
无线传 感 器网络 节点提供 能 源的 目标 。
关 键词 ： 能 ； 力发 电机 ； 风 风 电源 管理 电路 ； 线传 感器 网络 节 点 无
中图分类 号 ： Ｍ ３ ５ 文 献标识 码 ： 文章 编 号 ：６ １—７ ４ （ ０ ０ ０ Ｔ １ Ａ １７ １７ ２ １ ）４—０ ７ ３ ９—０ ６
能源 。 比如可 以将 环 境 中的 磁 能 ４ 、 阳能 ］ 。太 转 化为 电能 ， 并采 用 相 应 的 电源 管理 电路 器 网络节点 提供 能源 。 在充分 考 虑 了无 线 传 感 器 网 络 要 求 节 点 体 积
较小 的基础 上 ， 出了一 种 利用 新 型 风力 发 电机 将 提
节点故 障 ， 响 整个 网 络 拓扑 结 构 的变 化 。 以要 影 所
池提供 。 由于传 感器 节 点使 用 的 区域 广 ， 数 多 ， 个 分
收 稿 日期 ：００ —０ —０ ； 修 订 日期 ：００ —０ —１ 。 ２１ ５ ６ ２１ ６ ６
有 效地 延 长 环境 监 测 中 无 线传 感 器 网 络 的使 用 寿
对 产
生 的 电能进 行 管理 和转 化 ， 可 以实 现对 无 线 传感 就
４ ８Ｖ的工作 电压 为 １８ ～５５Ｖ， 研 究取 其 工作 ． ． 本 电压 为 ３Ｖ。 无线 传 感 器 网 络 节 点采 集 处 理 检 测信 号 时工作 电流 为 ６ｍＡ， 时 ６５ｍ ； 射 数据 时工 耗 １ ｓ发
第 ９卷第 ４期 ２１ ０ ０年 ８月
江 南 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ） Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｉｎ ｎ ｎＵｎｖ ｒｉ （ ｔｒ ｌ ｃｅ ｃ ｄｔ ｎ ｏ ｒ ａ ａ ｇ ａ ｉｅ ｓ ｙ Ｎａｕ ａ ｉｎ ｅＥ ｉ ｏ ） ｏＪ ｔ Ｓ ｉ
Ｖｏ ． Ｎｏ ４ １９ ．
Ｅ ｉ ｚａ ｇ ｚ ｔｅ ｕ ｃ ｍａ ：ｄｈ ｎ ＠ ｊ ．ｄ ．ｎ ｌ ｕ
３０ ８
江 南 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
第 ９卷
命， 除了从 优 化 网络结 构 ¨ 上 以减 少 能 耗 之外 ， 还 可 以从 能源 提 供 和 补 充 的角 度 对 传 感 器 节 点 提 供
ｐｏ ｒｍａ ａ ｅ ｎ ｉｃ ｔｉ ｓ ｆ ｏ ｇ ｖ ｌ ｃ ｒｃｔ ｏ ｕ ｌ ｉ ｇ ｔ ｅ ｗｉｅｅ ｓｓ ｎ ｏ ｔ ｒ ｄｅ ｗｅ ｎ ｇ ｍｅ ｔｃ ｒ ｕｉ ｓ ｕ ｅ ｕｌｔ ｉ ｅ ｅ ｅ ｔｉ ｉｙ ｆｒ ｓ ｐｐ ｙ ｎ ｈ ｒ ｌ ｓ ｅ ｓ ｒｎｅｗｏ ｋ ｎｏ
图 ２为 新 型 风 力 发 电 机 的 结 构 图 。 中 ， 其 图
２ ａ 为装 置 的主视 图 ； ｂ 为俯 视 图 ； Ｃ 为扇 叶的 （） （） （） 横切 面 图。
鄂博 矿 区地 面 １ｍ处 的风 能资 源 分析 、 电机永 磁 发 体 的设 计 以及 发 电机 启 动风 速 的分 析 对 其 可 行 性
Ａｂｓｒ ｔ： ｎｅ ｗｉ ｅ ｅ ａ ｏ ｓｄｅ ｉ ｎ ｄ ｆ ｒｔ ｅ ｗｉｅ ｅ ｓｓ ｎｓ ｒｎ ｔ ｒ ｄ ｏ ｓ ］ ｅ ｔ ｅ ｅ ｅ ｇ ｔ ａｃ Ａ ｗ ｎｄ ｇ ｎ ｒ ｔ ｒ ｉ ｓｇ ｅ ｏ ｈ ｒ ｌ ｓ ｅ ｏ ｅｗｏ ｋ ｎｏ ｅ ｔ ｏ ｖ ｈ ｎ ｒ ｙ ｂ ｔｌ － ｅ ｋ ｐ ｏ ｌ ｍ ｏ ｈ ｗｉｅ ｅ ｓ ｓ ｎｓ ｒ ｎｅｗｏ ｋ ｏ ｔｅ ｎ ｃ ｒ ｂ ｅ ｆｔ ｅ ｒ ｌ ｓ ｅ ｏ ｔ ｒ ｎｏ ． Ｔｈ ｎｅ ｄｅ ｅ ｗ ｗｉ ｄ ｇ ｎｅ ａ ｏ ｃ ｎ ｅ ｎｄ ｎ ｅ ｒ ｔ ｒ ｈａ ｇ ｓ ｗｉ ｅ ｅ ｇ ｏ ｅ ｅ ｔｉ ｎ ｒ ｙ ｔ ｆｏ ｄ ｔ ｒ ｌｓ ｅ ｓ ｒｎｅ ｗｏ ｋ ｎ ｄｅ Ｉ ｈｅ ｎｅ ｗｉ ｄ ｇ ｎ ｒ ｔｒ ｔ ｅ ｎ ｒ ｙ ｔ ｌｃ ｒｃ ｅ ｅ ｇ ｏ ａ ｆ ｒ ｈｅ ｗｉｅ ｅ ｓ ｓ ｎ ｏ ｔ ｒ ｏ ． ｎ ｔ ｗ ｎ ｅ ｅ ａｏ ｈ ｆ ｎ ｗｏ ｋ ｓａ ｐａ ｔｏ ｅ ｅ ａ ｏ ．Ｉ ｎ ｅ ｒ ｔ ｓｔ ａ ｔ ｈｅ ｇ ｎｅ ａ ｏ ，ａ ｓａ ｒ ｓ ｔ ｈｅ ｓｚ ｆ ａ ｒ ｓ ａ ｒ ｆｇ ｎ ｒ ｔ ｒ ｔｉ ｔ ｇ ａ ｅ ｈｅ ｆ ｎ ｗｉｈ ｔ ｅ ｒ ｔ ｒ ｎｄ ａ ｅ ｕｌ，ｔ ｉｅ ｏ ｔ ｅ ｅ ｉｅｇ ｎｅ ａ ｉ ｅ ｓｒ ｄ ｅ ｈ ｎｔｒ ｅ ｒ ｔｎｇｓ ｔｉ ｅ ｕｃ ｄ．Ｍｏ ｅ ｖ ｒａ ｐ ｗｅ ｎ ｇ ｒ ｏ ｅ ｏ ｒｍａ ａ ｅｍｅ ｔｃ ｒ ｕ ｔｉ ｅ ｉ ｎ ｄ ｆ ｒｃ ｎ ｅ ｔｎ ｎ ｉｃ ｉ ｓｄ ｓｇ ｅ ｏ ｏ ｖ ｒｉ ｇ
微处理 器 和射 频模 块 ３部分 组成 。 中温度 、 度传 其 湿 感器采 用 的是 Ｓ Ｔ１ 其 所测 得 的数 据经 过微 处理 Ｈ ５， 器 Ａ ｍ ｇ ８Ｖ转 换 处理 后 ， 过 低功 耗 收 发通 信 ｔ ｅａ ４ 通 芯片 Ｃ ４０发 射 出去 。 Ｃ２２
无线 传 感 器 网 络 节 点 中 的 微 处 理 器 Ａ ｍｅａ ｔ ｇ
转化 为 电能对无 线传 感器 网络 节点提供 能 源的 方法 。 该 新 型风 力发 电机 中风 扇作 为 发 电机 的一 在 部分 ， 风 扇和发 电机 一体化 ， 小 了整 个发 电装 置 的体 积 。 时设 计 了电 源 管理 电路 ， 新 型风 将 减 同 将 力发 电机 发 出的 交流 电转换 为直 流 电， 对锂 电池充 电和通 过 电 阻对锂 电池 的输 出进 行 分压 并提 供
随着 无线 传感器 网络 的广 泛应 用 ， 线传 感 器 无 网络 中传感 器节 点 的能 源 问题 日益 突 出。 目前 传感
器节 点 的能 源 主要 由其 自身 携 带 的 能 量 有 限 的 电
布环境 复 杂 ， 人 们无 法对 其 电池 进 行 更 换 。 旦 使 一 电池 能量 耗 尽 ， 节 点 就很 难 再 次 被 使 用 ， 造 成 该 易
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本 身成 为发 电装置 的一 部 分 ， 而较 大 幅度 地 减 小 从
新型 风力 发 电机 是 一 种 适 用 于 无 线 传 感 器 网 络 的风 力 发 电机 。 将 风 扇 和 发 电 机 一体 化 ， 小 它 减
了整个 发 电装 置 的体 积 。 同时根 据 电机 原 理 和相 关 发 电机 的设 计 ” ， 寸较 大 的 电机有 利 于获 得较 Ｊ尺
作 电流为 ２ Ａ， ５ｍ 耗时 ５ｍ 。 ｓ
１ １ 新 型风 力发 电机 的设计 ．
风 能转化 为 电 能对 无 线 传 感 器 网络 节 点 电池 充 电
的方 法 ， 而 延 长节 点 的有 效 寿命 。 型风 力 发 电 从 新
机采 用 了将 风扇 与发 电装 置 一体 化 的设 计 ， 风 扇 使
整 个发 电装 置 的体 积 ； 用垂 直 轴 风 扇 ， 以利 用 采 可
各 个方 向的风 能 。 型 风力 发 电机又 利 用 了永 磁 新
发 电机原 理 ， 垂直轴 风扇 中合 理放置 了永 磁 体 在 和线 圈 ， 得垂 直轴 风 扇 的扇 叶转 动 时 引起 了分 布 使
在 垂直轴 风 扇 盖 和 扇 座 上 的各 个 线 圈 内 部 的 磁 通
ａ ｔｒ ａｉ ｇ ｃ ｒ ｅ ｔ ｆｏ ｔ ｅ ｗ ｎ ｅ ｅ ａ ｏ ｏ ｄ ｒ ｃ ｕ ｒ ｎ ｏ ｃ ａ ｇ ｐ ｔ ｅ ｂ ｔ ｒ ｎ ｓ ｎ ｌｅ ｎ ｔｎ ｕ ｒ ｎ ｒ ｍ ｈ ｉ ｄ ｇ ｎ ｒ ｔ ｒ ｔ ｉｅ ｔ ｃ ｒｅ ｔ ｔ ｈ ｒ ｅ ｕ ｈ ａ ｔ ｙ ａ ｄ ｕ ｉ ｇ ｅ
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高电动势 。 一般 的风力 发 电机 ， 扇尺 寸大发 电机尺 风 寸较小 ， 利于 提高发 电 电动势 ； 不 而新 型风力 发 电机
中发 电机尺寸与风扇 尺寸基本相 同 ， 具有一 定优势。
量 发生变 化 ， 而 产 生交 流 电动 势 ， 最终 为 网络 从 并
节点 供 电。 文 中还介 绍 了新 型 风 力 发 电机 的 设 计 和 对 锂 电池 进行充 电和放 电的 电源 管 理 电路 ； 通 过 白云 并
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一
种新 型风 力发 电机 的设 计
张 端 郭 贤 ， 章苗根 何 熊熊 邹 涛 ， 慧 ， ，
（． １ 浙江 工业大 学 信 息 学院 ， 浙江 杭 州 ３ ０ ２ ；． １０ ３ ２ 浙江省 机械 设备成 套局 ， 江 杭 州 ３ ０ ０ ） 浙 １０ ６ 摘 要 ： 了解 决无 线传感 器 网络 节点 的供 电瓶 颈 问题 ， 出 了一 种通过 新 型风 力发 电机 将 风 能 为 提
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基金项 目： 国家高科技计划项 目（０ ９ Ａ ４ １８ ； ２ ０ Ａ ０ ｚ３ ） 国家 自然科 学基金项 目（ ００ ０ ５ ６７ ４２ ） ６ ６４ １ ， ０７ ０ １ 。 作者简 介 ： 端（ ９ ２ ） 男 ， 江杭 州人 ， 张 １７ 一 ， 浙 副教授 ， 工学博士 。 主要从事机电系统和非线 性控 制研究 。
给 无线传 感 器 网络 节点 。 最终 的分析 和计 算结 果显 示新 型 风 力发 电机 和 电 源管理 电路 能够 实现 对
无线传 感 器网络 节点提供 能 源的 目标 。
关 键词 ： 能 ； 力发 电机 ； 风 风 电源 管理 电路 ； 线传 感器 网络 节 点 无
中图分类 号 ： Ｍ ３ ５ 文 献标识 码 ： 文章 编 号 ：６ １—７ ４ （ ０ ０ ０ Ｔ １ Ａ １７ １７ ２ １ ）４—０ ７ ３ ９—０ ６
能源 。 比如可 以将 环 境 中的 磁 能 ４ 、 阳能 ］ 。太 转 化为 电能 ， 并采 用 相 应 的 电源 管理 电路 器 网络节点 提供 能源 。 在充分 考 虑 了无 线 传 感 器 网 络 要 求 节 点 体 积
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收 稿 日期 ：００ —０ —０ ； 修 订 日期 ：００ —０ —１ 。 ２１ ５ ６ ２１ ６ ６
有 效地 延 长 环境 监 测 中 无 线传 感 器 网 络 的使 用 寿
对 产
生 的 电能进 行 管理 和转 化 ， 可 以实 现对 无 线 传感 就
４ ８Ｖ的工作 电压 为 １８ ～５５Ｖ， 研 究取 其 工作 ． ． 本 电压 为 ３Ｖ。 无线 传 感 器 网 络 节 点采 集 处 理 检 测信 号 时工作 电流 为 ６ｍＡ， 时 ６５ｍ ； 射 数据 时工 耗 １ ｓ发
第 ９卷第 ４期 ２１ ０ ０年 ８月
江 南 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ） Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｉｎ ｎ ｎＵｎｖ ｒｉ （ ｔｒ ｌ ｃｅ ｃ ｄｔ ｎ ｏ ｒ ａ ａ ｇ ａ ｉｅ ｓ ｙ Ｎａｕ ａ ｉｎ ｅＥ ｉ ｏ ） ｏＪ ｔ Ｓ ｉ
Ｖｏ ． Ｎｏ ４ １９ ．
Ｅ ｉ ｚａ ｇ ｚ ｔｅ ｕ ｃ ｍａ ：ｄｈ ｎ ＠ ｊ ．ｄ ．ｎ ｌ ｕ
３０ ８
江 南 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
第 ９卷
命， 除了从 优 化 网络结 构 ¨ 上 以减 少 能 耗 之外 ， 还 可 以从 能源 提 供 和 补 充 的角 度 对 传 感 器 节 点 提 供
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图 ２为 新 型 风 力 发 电 机 的 结 构 图 。 中 ， 其 图
２ ａ 为装 置 的主视 图 ； ｂ 为俯 视 图 ； Ｃ 为扇 叶的 （） （） （） 横切 面 图。
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无线 传 感 器 网 络 节 点 中 的 微 处 理 器 Ａ ｍｅａ ｔ ｇ
转化 为 电能对无 线传 感器 网络 节点提供 能 源的 方法 。 该 新 型风 力发 电机 中风 扇作 为 发 电机 的一 在 部分 ， 风 扇和发 电机 一体化 ， 小 了整 个发 电装 置 的体 积 。 时设 计 了电 源 管理 电路 ， 新 型风 将 减 同 将 力发 电机 发 出的 交流 电转换 为直 流 电， 对锂 电池充 电和通 过 电 阻对锂 电池 的输 出进 行 分压 并提 供
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新型 风力 发 电机 是 一 种 适 用 于 无 线 传 感 器 网 络 的风 力 发 电机 。 将 风 扇 和 发 电 机 一体 化 ， 小 它 减
了整个 发 电装 置 的体 积 。 同时根 据 电机 原 理 和相 关 发 电机 的设 计 ” ， 寸较 大 的 电机有 利 于获 得较 Ｊ尺
作 电流为 ２ Ａ， ５ｍ 耗时 ５ｍ 。 ｓ
１ １ 新 型风 力发 电机 的设计 ．
风 能转化 为 电 能对 无 线 传 感 器 网络 节 点 电池 充 电
的方 法 ， 而 延 长节 点 的有 效 寿命 。 型风 力 发 电 从 新
机采 用 了将 风扇 与发 电装 置 一体 化 的设 计 ， 风 扇 使
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发 电机原 理 ， 垂直轴 风扇 中合 理放置 了永 磁 体 在 和线 圈 ， 得垂 直轴 风 扇 的扇 叶转 动 时 引起 了分 布 使
在 垂直轴 风 扇 盖 和 扇 座 上 的各 个 线 圈 内 部 的 磁 通
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