CN100530911C - 便携式电子设备的惯性发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式电子设备的惯性发电装置，它由可自由运动的惯性块和线圈组成。通过人体运动使得惯性块与线圈之间获得相对运动，从而使线圈的磁通发生改变，线圈产生感应电动势。根据惯性块和线圈的组合方式，本发明有由惯性球、环形导槽和线圈组成基于惯性球自由运动的发电装置；由转子、定子、轴组成的基于旋转惯性块的电磁耦合发电装置；由惯性转子、齿轮增速机构和直流发电机组成的基于旋转惯性块的增速发电装置三种。本发明体积小巧，结构简单，既可与电子设备做成一体，也可与电子设备分开；既可延长便携电子设备一次充电的使用时间，也可在电子设备电池能量耗尽的情况下，满足便携电子设备短时间工作的要求。

Description

便携式电子设备的惯性发电装置

技术领域

本发明涉及一种供电装置，尤其是便携电子设备的发电装置。

背景技术

便携式电子设备如手机、PDA、MP3已被广泛使用。它们一般采用电池供电，但它们只能在电池有电的时候才能使用。在无法充电的场合如野外等，若正好电池没电将造成很大不便。专利200320108024提出了一种内置式太阳能手机充电装置，该装置利用光伏电池将太阳能转换为电能，但当手机装在口袋或在夜晚，该充电装置无法工作。专利200420000836提出了一种手机应急充电器，该充电器采用齿轮传动带动发电机，而人通过拉扣带动齿轮运动；专利200320103286提出了一种手摇式发电机，该装置通过手摇带动齿轮传动机构，进而带动发电机，这些方法采用齿轮与发电机，结构复杂，体积庞大，其发电需要人做特定的运动，增加了人的负担。该装置与便携电子设备不能做成一体，携带不方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是解决便携电子设备充电装置工作场合受限或结构复杂、体积庞大、与电子设备不能做成一体等缺点，提供一种利用人体日常行为产生能量，体积小，能与电子设备做成一体或便于人体携带的发电装置，可有效延长便携电子设备的一次充电工作时间；在电池能量耗尽的情况下，通过人体的特定行为，满足便携电子设备短时间工作的要求。

技术方案是采用惯性发电原理，由可自由运动的惯性块和线圈组成发电装置，通过人体运动使得惯性块与线圈之间获得相对运动，从而使线圈的磁通发生改变，线圈产生感应电动势。通过从人体运动获得能量，为便携电子设备提供或补充电能，延长便携电子设备一次充电的使用时间；由于人体的运动大多都是加减速运动，因此本发明可安装在足部、手部，或携带身上，体积小巧，在任何场合均可用。

根据惯性块和线圈的组合方式，本发明发电装置有基于惯性球自由运动的发电装置、基于旋转惯性块的电磁耦合发电装置、基于旋转惯性块的增速发电装置三种：

1、基于惯性球自由运动的发电装置由惯性球、环形导槽和线圈组成。惯性球采用永磁材料制成，具有磁性，可在环形导槽中自由运动。永磁材料可以是稀土永磁材料或铁磁材料。环形导槽内壁沿圆心的横截面为圆形，直径大于惯性球，但大于的直径不应超过1mm，导槽内壁采用非铁磁材料如铝合金、工程塑料等制作，环形导槽的壁厚小于1mm，为减少摩擦，提高能量转换效率，惯性球和环形导槽的内壁应具有一定的光洁度。线圈采用0.05～0.2mm的漆包线，线圈越细，内阻越大，则同等条件下发电装置输出功率越小。线圈绕在环形导槽的外壁，线圈在电气连接上分为两组，每组线圈根据惯性球的直径D和环形导槽长度L分为N个部分，N＝L/(2D)。两组线圈交错绕制，每组线圈的输出经整流电路整流后接到共同的能量载体，如电容或电池。

当人携带此发电装置时，人的运动导致惯性球在导槽中相对运动，由于惯性球为磁性，则惯性球通过时线圈的磁通发生改变，线圈产生感应电动势。这样该发电装置吸收了部分人运动的能量，转换为电能。

线圈产生的电动势为正负交变的，经过整流变为直流，再根据需要将发电装置的输出与电压调节电路相连，电压调节电路可以BOOST直流变换电路或者电荷泵转换电路，将电压调节稳定在略高于便携电子设备的电池电压，以便于对电池进行充电。

2、基于旋转惯性块的电磁耦合发电装置，由转子、定子、轴组成。转子包括两个扇形体、一个连接件和M块永磁铁。扇形体的扇形角度＜180度，扇形体的一个表面开有M/2个扇形槽，相邻两槽中心线的扇形角度相等，为α。永磁铁安装在槽中。扇形体的圆形边缘为齿形结构，以便于与连接件啮合。扇形体的圆心部分有孔，通过轴承与定子连接。扇形体的材料为非铁磁材料，建议采用铝合金。每个扇形体通过槽嵌入M/2块永磁铁，再通过连接件将两个扇形体连接在一起，嵌有磁铁的面相对放置。两个扇形体包含的空间是一个交错的磁性空间。

定子由电路板、线圈和骨架组成。电路板为圆形，与轴上的一个端面粘接在一起，电路板上有表贴元件做成的电能处理电路，该电能处理电路可为BOOST直流直流变换电路或电荷泵转换电路。线圈绕制在骨架上，线圈采用0.05～0.25mm的漆包线，骨架采用塑料或胶木。线圈每隔β角度放置一个，β等于α或为α的整数倍，共放置360°/β个线圈，线圈的中心与转子永磁铁的中心在一条直线上。线圈采用串联的连接方式，360°/β个线圈串联后有两根输出线。骨架中可放入磁性材料，如铁氧体或硅钢片，以减小磁阻，增大磁通密度，但会给转子的运动带来阻力。

转子可绕轴自由运动，而定子固连在轴上，转子的运动使得线圈中的磁通发生变化，从而产生电能。当转子绕轴一周，定子中每个绕组的磁通变化M/2次，串联的线圈组则产生持续360度的输出。

3、基于旋转惯性块的增速发电装置，由惯性转子、齿轮增速机构和直流发电机组成。惯性转子为圆盘结构，镶有偏心扇形惯性块，圆心处有孔，通过轴承与轴连接，外部边缘为齿轮。惯性转子的框架的材料可采用铝合金或工程塑料，偏心扇形惯性块的材料可采用铁或铅。齿轮增速机构为两级齿轮传动，齿轮的材料可以是铝合金或塑料。直流发电机为圆盘形，轴上装有齿轮，外圈为定子永磁极，内圈为转子线圈，通过电刷输出直流电。

当惯性转子旋转时，外部边缘的齿轮带动齿轮增速机构，齿轮增速机构再带动直流发电机的轴，这样，直流发电机就会产生电能。增大齿轮增速机构的转速可以提高直流发电机的输出，进而提高能量转换效率。

由于直流发电机产生直流电压，因此无需整流电路，将输出电压通过二极管接到便携电子设备的电池上即可，如需调节电压，则将发电装置的输出与BOOST直流直流变换电路或者电荷泵转换电路相连。

BOOST直流变换电路是：发电装置的输出经整流后输出至电容，变为脉动直流，再通过电感、开关器件和肖特基二极管组成的升压电路对电压进行提升，采用电压反馈调节开关器件占空比以保持输出电压的稳定。提升后的输出电压对便携电子设备的电池进行充电。

电荷泵变换电路是：发电装置的输出经整流后输出至电容，变为脉动直流，再通过电荷泵变换电路对电压进行提升，电荷泵变换电路利用外接电容实现对输入电压的提升。提升后的输出电压对便携电子设备的电池进行充电。

这三种发电装置可与便携电子设备做成一体，也可做成可拆卸的方式：在需要的时候与便携电子设备安装在一起，不需要的时候拆下来。将发电装置与便携电子设备一体化有利于人体携带，人携带或使用便携电子设备的过程中就可为便携电子设备充电，延长便携电子设备使用时间。在无法得到外部电源的场合，如在野外，通过摇动便携电子设备即可满足短时使用的要求。发电装置可与便携电子设备做成一体，也可作为便携电子设备的选配件，在需要的时候安装在便携电子设备上。

三种发电装置可安装在足部，比较合适的位置是鞋的上表面，人体行走时足部有急剧的加减速运动，发电装置则可充分利用吸收能量。由于足部运动剧烈，安装空间有限，为避免引线过长，则将便携电子设备安装在人的小腿部，这样，人行走或跑步时就可对便携电子设备充电。

三种发电装置还可安装在手提袋上，特别是女士出门一般要带一手提袋，将该装置装在手提袋上，该装置具有充电接口输出。便携电子设备平时不用放在手提袋内时就接在充电接口上，既起到了固定作用也可充电，这样女士提着手提袋出门时即可对手机进行充电。

采用本发明可取得以下技术效果：

本发明所述发电装置体积小巧，结构简单，利用人体日常行为获得能量，既可与电子设备做成一体，也可与电子设备分开；既可延长便携电子设备一次充电的使用时间，也可在电子设备电池能量耗尽的情况下，满足便携电子设备短时间工作的要求。

附图说明

图1是基于惯性球自由运动发电装置的内部结构图；

图2是基于惯性球自由运动发电装置两组线圈的等效连接方式(实际上是绕在同一个导槽上)；

图3是旋转惯性块的电磁耦合发电装置内部结构；

图4是旋转惯性块的电磁耦合发电装置扇形转子上的永磁铁的分布示意图；

图5是旋转惯性块的电磁耦合发电装置圆形电路板上线圈分布示意图；

图6是旋转惯性块的电磁耦合发电装置旋转惯性块旋转一周的输出电压；

图7是惯性增速发电装置前视图；

图8是惯性增速发电装置展开剖面图；

图9是BOOST直流直流变换电路；

图10是电荷泵变换电路；

图11是惯性发电装置与便携电子设备做成一体示意图；

图12是惯性发电装置与便携电子设备拆分、组合示意图；

图13是惯性发电装置利用足部能量的安装方式示意图；

图14是惯性发电装置装在女士手提袋上的示意图。

具体实施方式

图1是基于惯性球自由运动的发电装置的一种实施例的基本结构示意图。该发电装置由惯性球1、环形导槽2和线圈3组成。惯性球1直径D＝15mm，由永磁材料做成，具有强磁性。环形导槽2的长度L＝210mm，内壁沿圆心的横截面为圆形，直径大于15mm，小于15.5mm，采用非铁磁材料制作，环形导槽的壁厚小于0.5mm。惯性球1与环形导槽2为间隙配合，惯性球1在环形导槽2中可自由运动。线圈3绕在环形导槽2上，线圈3采用直径0.15mm的漆包线，线圈3在电气连接上分为两组，绕在同一个导槽上，如图2所示，每组线圈由N＝L/(2D)＝7个子线圈串联而成，两组线圈交错绕制，每组线圈的输出经整流电路4整流后接到共同的能量缓冲元件5，如电容或电池。

当人携带此发电装置时，人的运动导致惯性球1在环形导槽2中相对运动，由于惯性球1为磁性，则惯性球1通过的线圈磁通发生改变，线圈产生感应电动势。这样该发电装置吸收了部分人运动的能量，转换为电能。

线圈3产生的电动势为正负交变的，经过整流变为直流，再根据需要将发电装置的输出与电压调节电路6相连，电压调节电路6可以是BOOST直流变换电路，也可是电荷泵变换电路。电压调节电路6将输出电压调节稳定在略高于便携电子设备的电池电压，便可对电池进行充电。

图3是基于旋转惯性块的电磁耦合发电装置的一种实施例的结构示意图。该发电装置由转子、定子组成。转子由左扇形体7和右扇形体8、连接件9和M＝8块永磁铁11组成。扇形体7、8采用非铁磁材料制成，采用铝合金；形状完全相同，结构如图4所示，扇形角度为120度，内表面开有M/2＝4个扇形槽，相邻槽中心线的角度为α＝30度，槽内安装永磁铁11。扇形体的圆形边缘为齿形结构，以便于与连接件9啮合，连接件9将扇形体7、8连接在一起，嵌有磁铁的面相对放置。扇形体7、8的圆心部分有孔，通过轴承16与定子连接。两个扇形体包含的空间是一个交错的磁性空间。

定子由电路板15、线圈3和骨架13组成。电路板15为圆形，与轴14的一个端面粘接在一起，电路板15上有表贴元件做成的电能处理电路，该电路为BOOST直流直流变换电路或者电荷泵转换电路线圈3绕制在骨架13上，采用0.1mm的漆包线，骨架13采用绝缘材料如塑料或胶木。如图5所示，在电路板15上每隔β＝60度分布1个线圈，共有360°/β＝6个线圈，6个线圈的中心位于一个圆上，并与转子永磁铁11的中心对齐。6个线圈3采用串联的连接方式。骨架13中可放入磁性材料，如铁氧体或硅钢片，以减小磁阻，增大磁通密度，但会给转子的运动带来阻力。

转子可绕轴14自由运动，而定子固连在轴14上，转子构成的交错磁性空间在任何时刻均包含了两个线圈3，转子的运动使得线圈3中的磁通发生变化，从而产生电能。当转子绕轴14一周，定子中每个绕组的磁通变化4次，产生持续120度的输出，6个绕组串联，则产生持续360度的输出，如图6所示。

串联的线圈3产生的电动势是正负交变的，经过整流变为直流，再根据需要可加入电压调节装置，将电压调节稳定在略高于便携电子设备的电池电压，以便于对电池进行充电。

图7是基于旋转惯性块的增速发电装置一种实施例的前视图，图8是该惯性增速发电装置展开剖面图。该装置由惯性转子17、齿轮增速机构和直流发电机22组成。惯性转子17为圆盘结构，镶有偏心扇形惯性块18，圆心处有孔，通过轴承30与轴31连接，外部边缘有齿，因此惯性转子17也可认为是一个齿轮。惯性转子17的框架的材料可采用铝合金或工程塑料，偏心扇形惯性块18的材料可采用铁或铅。齿轮增速机构为两级齿轮传动，由增速齿轮19、20、21组成，惯性转子17与齿轮19啮合，齿轮19与齿轮20刚性连接，齿轮20与齿轮21啮合，齿轮21固连在直流发电机22的轴上。齿轮17、19、20、21的材料可以是铝合金或塑料。直流发电机22为圆盘形，通过电刷输出直流电。当惯性转子17旋转时，外部边缘的齿带动齿轮增速机构，齿轮增速机构再带动直流发电机22的轴，这样，直流发电机22就会产生电能。齿轮增速机构将转速增大以提高直流发电机的输出，进而提高能量转换效率。由于直流发电机产生直流电压，因此无需整流电路，将输出电压通过二极管接到便携电子设备的电池上即可，如需调节电压，则再加入电压调节电路。

图9是BOOST直流变换电路，发电装置的输出经整流后输出至电容，变为脉动直流，再通过电感、开关器件和肖特基二极管组成的升压电路对电压进行提升，采用电压反馈调节开关器件占空比以保持输出电压的稳定。提升后的输出电压对便携电子设备的电池进行充电。

图10是电荷泵变换电路，发电装置的输出经整流后输出至电容，变为脉动直流，再通过电荷泵变换电路对电压进行提升，电荷泵变换电路利用外接电容实现对输入电压的提升。提升后的输出电压对便携电子设备的电池进行充电。

如图11所示，这三种发电装置可与便携电子设备做成一体，也可如图12所示，做成可拆卸的方式，在需要的时候与便携电子设备安装在一起，不需要的时候拆下来。

如图13所示，三种发电装置可安装在足部，比较合适的位置是鞋的上表面，人体行走时足部有急剧的加减速运动，发电装置则可充分利用吸收能量。由于足部运动剧烈，安装空间有限，为避免引线过长，则将便携电子设备安装在人的小腿部，这样，人行走或跑步时就可对便携电子设备充电。

三种发电装置还可安装在手提袋上，如图14所示。女士出门一般要带一手提袋，将该装置装在手提袋上，该装置具有充电接口输出。便携电子设备放在手提袋内，则接上充电接口，这样女士提着手提袋出门时即可对手机进行充电。

Claims (6)

1.一种便携式电子设备的惯性发电装置，其特征在于由惯性球(1)、环形导槽(2)和线圈(3)组成，所述惯性球(1)采用永磁材料制成，具有磁性，可在环形导槽(2)中自由运动；永磁材料可以是稀土永磁材料或铁磁材料；所述环形导槽(2)内壁沿圆心的横截面为圆形，直径大于惯性球(1)，但大于的直径不应超过1mm，环形导槽(2)内壁采用非铁磁材料制作，环形导槽(2)的壁厚小于1mm，惯性球(1)和环形导槽(2)的内壁具有一定的光洁度；线圈(3)采用0.05～0.2mm的漆包线；所述线圈(3)绕在环形导槽(2)的外壁，线圈(3)在电气连接上分为两组，每组线圈(3)根据惯性球(1)的直径D和环形导槽(2)长度L分为N个部分，N＝L/(2D)；两组线圈(3)交错绕制，每组线圈(3)的输出经整流电路(4)整流后接到共同的能量载体(5)；线圈(3)产生的电动势经过整流变为直流，再将发电装置的输出与电压调节电路(6)相连，电压调节电路(6)是BOOST直流变换电路或者电荷泵转换电路。

2.如权利要求1所述的便携式电子设备的惯性发电装置，其特征在于所述BOOST直流变换电路是：发电装置的输出经整流后输出至电容，变为脉动直流，再通过电感、开关器件和肖特基二极管组成的升压电路对电压进行提升，采用电压反馈调节开关器件占空比以保持输出电压的稳定，提升后的输出电压对便携电子设备的电池进行充电。

3.如权利要求1所述的便携式电子设备的惯性发电装置，其特征在于所述电荷泵变换电路是：发电装置的输出经整流后输出至电容，变为脉动直流，再通过电荷泵变换电路对电压进行提升，电荷泵变换电路利用外接电容实现对输入电压的提升，提升后的输出电压对便携电子设备的电池进行充电。

4.如权利要求1所述的便携式电子设备的惯性发电装置，其特征在于发电装置可与便携电子设备做成一体，也可做成可拆卸的方式：在需要的时候与便携电子设备安装在一起，不需要的时候拆下来。

5.如权利要求1所述的便携式电子设备的惯性发电装置，其特征在于发电装置可安装在鞋的上表面，便携电子设备安装在人的小腿部。

6.如权利要求1所述的便携式电子设备的惯性发电装置，其特征在于发电装置还可安装在手提袋上，便携电子设备平时不用放在手提袋内时就接在充电接口上。

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