一种基于惯性驱动转化机构的风速自适应摩擦电—电磁感应混合风能发电机及其运转步骤

本技术属于风能利用领域，尤其涉及一种基于惯性驱动转化机构的风速自适应摩擦电—电磁感应混合风能发电机及其运转步骤。

背景技术：

1、随着经济的飞速发展，对电能的使用渐渐加剧。目前我国电能80%以上是依靠煤炭、石油、天然气等化石燃料产生的。随着这些不可再生能源被不断的大量消耗及对环境质量的追求，已经不符合如今可持续发展的理念。发展新能源发电是当今迫切且慢长的战略任务。

2、利用太阳能、风能、潮汐能或机械能用于微纳米发电的技术已经引起广泛关注，并将其与利用摩擦起电与静电感应耦合效应运行的摩擦电纳米发电机混合利用。其中风能是太阳能的一种转化形式，是一种不产生任何污染排放的可再生自然能源。与太阳能、生物、地热和海洋能发电相比,风力发电是当前技术和经济上最具商业化规模开发条件的新能源。

3、近年来世界上新兴的一种风力发电系统，变速恒频发电机组，由于其转速不受发电机输出功率的限制而表现比较良好的风电收集转换效率，低风速时转速能根据风速变化从而提高风电转化效率，而高风速时通过调节风力机桨距角来控制转速变化从而保证变速恒频发电机组安全运转。但由于我国风力发电机研发生产较晚，其相关核心技术比较欠缺，风力发电机存在着诸如收集效率较低、装置收集风能功能不够完善无法更好适应多种工作环境等问题。

技术实现思路

1、为了使风力发电装置具有高效率的风能收集，且集微风纳米发电与强风发电一体化，本技术提供一种基于惯性驱动转化机构的风速自适应摩擦电—电磁感应混合风能发电机及其运转步骤。

2、本技术采用如下的技术方案：

3、第一方面，本技术提供一种基于惯性驱动转化机构的风速自适应摩擦电—电磁感应混合风能发电机。

4、一种基于惯性驱动转化机构的风速自适应摩擦电—电磁感应混合风能发电机，包括底座、感应生电结构、行星齿轮结构、摩擦转子结构、摩擦定子结构和风力转化机构；感应生电结构位于底座上方且与底座卡接，行星齿轮结构位于感应生电结构上方，摩擦转子结构分别与感应生电结构和底座卡接，摩擦转子结构环绕行星齿轮结构，摩擦定子结构环盖摩擦转子结构，风力转化机构穿过摩擦定子结构与行星齿轮结构固定连接；

5、所述底座包括底轴承座与底座推力球轴承，所述底轴承座与底座推力球轴承卡接；

6、所述感应生电结构包括感应线圈容器、圆柱滚子轴承、磁铁盘盖、小钕磁铁片、大钕磁铁片、三个磁铁爪和磁铁盘，感应线圈容器下端与底轴承座卡接，圆柱滚子轴承的外圈与感应线圈容器上端卡接，圆柱滚子轴承的内圈与磁铁盘盖下端卡接，磁铁盘盖上端与磁铁盘卡接，三个磁铁爪均匀设置于磁铁盘盖与磁铁盘之间，大钕磁铁片插入磁铁盘的中心圆孔中，小钕磁铁片插入磁铁爪下端的小圆孔中；

7、所述行星齿轮结构包括外齿圈、齿轮架、主动齿轮轴承、主动齿轮和行星齿轮，主动齿轮卡接在主动齿轮轴承的内圈中，主动齿轮轴承的外圈与齿轮架卡接，主动齿轮与四个行星齿轮啮合，四个行星齿轮同时与外齿圈的内齿轮啮合，外齿圈与摩擦转子结构卡接；

8、所述摩擦转子结构包括八面体粘毛壳和十面体粘毛壳，八面体粘毛壳底部与磁铁盘顶部卡接，八面体粘毛壳内圈与外齿圈的外轮廓缘卡接；十面体粘毛壳底部与底座推力球轴承的内圈形成过盈配合；八面体粘毛壳和十面体粘毛壳外轮廓缘粘有兔毛；

9、所述摩擦定子结构包括铜片-fep嵌板外壳、铜片和fep膜，铜片-fep嵌板外壳倒扣于底座上，且铜片-fep嵌板外壳与齿轮架通过销钉固定连接；铜片粘接在铜片-fep嵌板外壳内部，fep膜依次粘贴在铜片上；

10、所述风力转化机构包括风力传动轴和限位杆风杯，限位杆风杯固定于风力传动轴顶端，风力传动轴底端与主动齿轮固定连接。

11、优选的，所述底轴承座内侧底部开设有环形槽，底座推力球轴承的下轴承圈插入环形槽中形成过盈配合。

12、优选的，所述感应线圈容器底部设有六边形卡槽，底轴承座上对应设置有六边形凸起，六边形凸起卡接于六边形卡槽中；感应线圈容器上端设有圆环槽，圆柱滚子轴承的外圈与圆环槽内侧相重合，形成过渡配合；

13、磁铁盘盖的下端固定设置有第一圆柱凸起，第一圆柱凸起插入圆柱滚子轴承的内圈中，形成过盈配合；磁铁盘盖上端中心固定设置有第二圆柱凸起，磁铁盘上对应开设有中心圆孔，第二圆柱凸起插入与之同心的中心圆孔，形成过渡配合；

14、磁铁盘盖上端围绕第二圆柱凸起均匀设置有三个“凸”字形空心凸起，磁铁盘上对应设有三个“凸”字形卡槽，三个“凸”字形空心凸起插入三个“凸”字形卡槽中，形成过渡配合；三个磁铁爪对应置于三个“凸”字形卡槽与三个“凸”字形凸起的空隙中，三个磁铁爪朝向第二圆柱凸起一面固定设置有挡块，挡块置于“凸”字形空心凸起的宽口内；

15、4-6枚大钕磁铁片磁极相反的两面相吸组成一个大圆柱体，插入磁铁盘的中心圆孔中，大圆柱体与圆孔的弧面形成间隙配合；3枚小钕磁铁片磁极相反的两面相吸组成一个小圆柱体，三个磁铁爪的下表面均开设有小圆孔，小圆柱体插入小圆孔中，小圆柱体与小圆孔的弧面形成间隙配合。

16、优选的，所述主动齿轮底部设有环状凸起，环状凸起卡接在主动齿轮轴承的内圈中，形成过盈配合；齿轮架包括第一圆盘和均匀设置于第一圆盘上的四根竖杆，四根竖杆一端均与第一圆盘固定连接，另一端均与摩擦定子结构固定连接；第一圆盘中心开设有圆形槽，主动齿轮轴承插入圆形槽中，主动齿轮轴承的外圈弧面与圆形槽的内圈弧面形成过盈配合。

17、优选的，所述外齿圈的外轮廓缘上设置有多个竖直凸起，八面体粘毛壳内圈对应设有多个竖直凹槽，多个竖直凸起对应插入多个竖直凹槽中形成过渡配合。

18、优选的，所述八面体粘毛壳底部设有八边形卡槽，磁铁盘顶部对应设有八面体凸起，八面体凸起卡接于八边形卡槽中，形成过渡配合；十面体粘毛壳底部设有圆环状凸起，圆环状凸起的外圈与底座推力球轴承的内圈形成过盈配合；十面体粘毛壳朝向磁铁爪一面开设有限位卡槽，磁铁爪可卡接于限位卡槽中。

19、优选的，所述八面体粘毛壳和十面体粘毛壳朝向行星齿轮结构的一面均开设有若干嵌入槽，若干铜片均匀分布于八面体粘毛壳和十面体粘毛壳的嵌入槽中。

20、优选的，所述限位杆风杯包括限位杆、位于限位杆中部的限位块和设置于限位杆两端的风杯，三个限位杆分别交叉放置在风力传动轴顶部高低不一的三个卡槽中，形成间隙配合，三对风杯的球面指向方向一致且全部为逆时针旋向。

21、第二方面，本技术提供一种基于惯性驱动转化机构的风速自适应摩擦电—电磁感应混合风能发电机的运转步骤。

22、一种基于惯性驱动转化机构的风速自适应摩擦电—电磁感应混合风能发电机的运转步骤包括以下过程：

23、（1）在风速达到一定条件后，风驱动限位杆风杯逆时针旋转，通过风力传动轴带动主动齿轮旋转，根据经验公式，可列出传动力矩t有如下关系：

24、

25、

26、而风能输出功率又与以下参数有关：

27、

28、

29、（2）主动齿轮逆时针旋转，由于行星齿轮组外啮合次数为1，则带动外齿圈顺时针旋转

30、

31、

32、传动比

33、

34、则外齿圈转速

35、（3）外齿圈旋转带动八面体粘毛壳旋转，粘贴在其上的兔毛与铜片-fep嵌板外壳上嵌入的fep膜充分摩擦，带动磁铁盘旋转，带动磁铁盘盖以及圆柱滚子轴承的内圈旋转，同时位于该过程中所受阻力提供的阻力矩有以下公式推导：

36、

37、）

38、（4）根据运动要求，只有当时，该发电机才会运转，根据以上公式推导出：

39、

40、风速满足以上条件，发电机正常运转；

41、（5）当风速达到一定条件后，由于磁铁盘（207）转速的增加，磁铁爪（206）所受的离心力增大，直至足以克服钕磁铁吸引磁铁爪（206）的磁力时，磁铁爪（206）被甩出磁铁盘（207），尖头部卡入十面体粘毛壳（402）内部的卡槽中带动十面体粘毛壳（402）旋转，根据公式，磁力f有以下关系：

42、

43、

44、磁矩

45、

46、当

47、

48、由以上公式推导出风速v满足以下关系时，自适应部分启动

49、

50、优选的，摩擦生电部分发电能力包括以下过程：

51、（1）本发电机摩擦生电部分产生电流i基于以下公式推导

52、

53、

54、其中

55、

56、（2）发电机运转但自适应部分未启动时摩擦发电部分产生的电流i有以下关系

57、

58、（3）发电机运转且自适应部分启动时摩擦发电部分产生的电流i有以下关系

59、

60、综上所述，本技术具有以下有益效果：

61、（1）采用机械式惯性驱动装置：

62、采用机械式风能驱动系统，由于风速的变化就可以驱动不同的工作模式，可以适应复杂多变的环境，极大的提高了风能收集的效率；节能环保，其转子速度是根据风力驱动，减少了电能消耗；其为简单的机械结构，成本低。

63、（2）采用行星齿轮结构：

64、行星齿轮结构可以实现高速比和高转矩输出，进而提高摩擦发电机的转换效率，其体积小，重量轻可以实现大转矩输出和小尺寸的结合。此外，还可以减少机械损耗、摩擦损耗等损失进一步提高转化效率。行星齿轮结构是基于齿轮传动原理工作的，因此摩擦发电在运行时几乎没有机械冲击和噪声，能够实现长期稳定安全工作。

65、（3）摩擦感应一体化：

66、装置将摩擦起电和磁感应生电进行有机结合能够实现两种能量的转换，从而提高了能量的利用率和发电效率；并且能够在不同的环境和工作环境和状态下保持较为稳定的输出功率，稳定性高；该装置结构简单、使用方便，且采用无污染的能量转换方式，环保节能。

67、（4）采用兔毛材料做摩擦电极：

68、兔毛材料具有良好的摩擦起电性能，其本身就是一种非常优良的绝缘材料，可以有效地减少发电机内部的能量损耗，提高发电效率；兔毛做摩擦电极受环境因素变化的影响小，稳定性高而且兔毛材料成本低；兔毛材料较柔软有良好的的耐磨性，使用寿命长。