CN101861693A - 具有轴向磁通发电机的微型人力充电器 - Google Patents

Abstract

微型人力充电器利用轴向磁通发电机来将拉出运动转换成电流而向由电池供电的电子设备充电和供电。该充电器包含机械传输装置、轴向磁通发电机和充电控制模块，该机械传输装置用于将周期性线性运动转换为单向旋转；该轴向磁通发电机包含定子和两个本质上相同的转子，该定子包含平面绕组，该平面绕组具有多个线圈，所述线圈内置于所述定子内的多层之中，并绕中心轴成圆形分布，所述两个转子设置为一起绕所述中心轴旋转，并在所述定子的两侧彼此相对地与所述绕组同轴部署；其中，每一所述转子包含经周期性异极轴向磁化的、具有一定数量的磁极的磁性系统；该充电控制模块固定于该定子，并且被配置成有效地将由所述发电机所产生的非稳定交变电流转换为充电直流电流。

Description

具有轴向磁通发电机的微型人力充电器

技术领域

本发明一般地涉及发电和充电装置，更具体地涉及人力充电装置。

背景技术

许多电子设备的可携带性最终地取决于其独立电源的寿命；这些电源通常采用可充电电池组。由于在消费电子产品中，电池一直是最弱的环节，所以人们正在不断地开发具有更长寿命的电池以及更高效向电池充电的方法。

发明内容

本发明披露一种包含三个组件的集成设备。第一组件是机械传输装置，用于将用户拖拉出的输入线所产生的循环线性运动转换成为单向转动。第二组件是轴向磁通发电机，该发电机由机械传输装置驱动，用于在封装于板上的定子中产生交变电流。第三组件是充电控制模块，该模块封装于所述板上，被配置成将由轴向磁通发电机所产生的非稳定交变电流有效地转换为所需的输出直流电流，用于向电子设备充电。

在实施方式中，该机械传输装置包含一系列至少两个串联机械单元：一根卷绕旋转元件(鼓轮)的线和离合器，该线一端固定在旋转元件上，另一端可以进行拖拉，该离合器可以对于施加在所述转子上的扭矩进行单向地传输。

在实施方式中，该机械传输装置还包含速度倍增装置，诸如增速齿轮对、增速链传输、增速带传输以及与鼓轮和离合器进一步以机械的方式串联的相类似的传输装置。

在实施方式中，该机械传输装置包含并行连接于鼓轮的单元。所述单元包含扭转弹簧(例如螺旋形弹簧)，该弹簧一端固定，另一端连接于鼓轮。

在实施方式中，该发电机包含具有平面绕组的固定中心板(定子)。该绕组可以是单相的，相同线圈围绕转轴成圆形分布。该发电机还包含两个相同转子，该转子在所述中心板的两侧彼此相对地、与所述绕组同轴部署。线圈的数量等于转子的极数。

在实施方式中，平面绕组采用将绕组内置于定子中的合适的方法而生成。该方法可以包括卷绕磁线、铜冲压、铜蚀刻、制作多层印刷电路板(PCB)以及相似方法。

在实施方式中，绕组由具有多个线圈的多层印刷电路板制成，该线圈由电路板上每层中的平面螺旋式导体回路构成，并且在各层之间互连以形成实质上多层的螺旋电感器。

在实施方式中，转子被配置成绕所述平面绕组的轴而一起旋转。每一转子包含经周期性异极轴向磁化的、并具有一定极数的磁性系统，由多个永磁体或单件多极永磁体制成。所述磁性系统彼此相对并且相应地定位以形成跨越所述平面绕组的公共磁场。

在实施方式中，每一所述磁性系统的背板侧是采用薄平面软磁性盘(后轭)的形式，用以使磁场闭合。所述转子在径向周界上可能还包括保持器以固定所述磁性系统并用于增加惯性。

在实施方式中，充电控制模块位于定子的延长部分上。该模块由所述绕组所产生的交变电流来供电，并且具有带可选电压和电流调整功能的整流器和间歇式电能存储器(如电容器、电池等)以及充电状态(SOC)监控的作用。输出端连接于直流消费电子设备。

在操作过程中，用户拖拉出机械传输装置的线，使转子绕轴旋转，该转子与绕组同轴。旋转导致跨越每一线圈的磁通量产生类正弦变化。最终，在每一线圈中产生交变电压。线圈可操作地彼此相连以在终端之间获得所需的电压电平。将该交变电压供给电子单元，在该电子单元处经过整流、可选地稳压并按需转换为直流电，向可充电电池充电，诸如消费电子产品的电池(如手机、笔记本电脑和便携式设备附件)。

在上述过程的同时，机械传输装置的扭转弹簧得以接合，直到用户停止拖拉线。拖拉阶段完成之后，释放掉该线，鼓轮由啮合的扭转弹簧驱动旋转回原处；这样，该鼓轮重绕该线并返回初始位置。

同时，该机械传输装置的输出单元和转子继续旋转，这是由于离合器停止传输来自机械传输装置的扭矩并且将其机械地与发电机断开。

由于输出电能的消耗和耗散损失，发电机的速度下降，用户重复拖拉阶段，以使发电机的速度保持在期望的范围内。为了完成操作，释放掉线，线返回至初始位置。

在某些实施方式中，为了提高系统效率，传输单元包含增加转子旋转速度的速度倍增机构。

在某些实施方式中，将充电器封装成为微型装置，用于将人的机械能转换为电能，以向电子(电)设备供电和/或向储能器(电池)充电。

在某些实施方式中，发电机安装到手机的背面并与其外壳集成在一起。

附图说明

鉴于经由示例和仅为了示例性探讨本发明的目的，根据此处对实施方式的后续描述，本发明的主要目的将被更加清晰地理解，关于附图部分(图或简写为“FIGS”)，其中：

图1是根据本发明某些实施方式的充电器的展开图；

图2是根据本发明某些实施方式的通过直齿轮对(spur gear couple)进行速度倍增的充电器的展开图；

图3是根据本发明某些实施方式的通过带式传输进行速度倍增的发电机的展开图；

图4是中心板的顶视图，显示根据本发明某些实施方式的线圈的覆盖区；

图5是根据本发明某些实施方式的内置12层线圈的多层印刷电路板的展开图；

图6是根据本发明某些实施方式的印刷电路板中心板的顶视图；

图7是根据本发明某些实施方式的旋转圆盘的外视图；

图8是根据本发明某些实施方式的旋转圆盘的分解图；

附图以及描述使本领域技术人员能够明白本发明如何具体实施。

此外，在适当的情况下，可以在图中重复使用参考标号以标示相应或相似的元件。

具体实施方式

图1示出根据本发明某些实施方式的充电器的展开图。发电机包含前壳体102和后壳体101、印刷电路板(PCB)120、主轴170和附属于PCB120的电子单元121。拖拉线150经由拖拉施放器160连接于鼓轮140。用于容纳经卷绕的拉线150的鼓轮140连接于棘轮130。170穿过鼓轮140、棘轮130和第一转子110和第二转子111以及PCB120。

当用户对于拖拉施放器160进行拖拉时，该鼓轮和棘轮都旋转，并依次驱动转子110和111。转子110、111的旋转运动引起在PCB120内每一线圈(未示出)中磁通量变化。这导致产生交流电压感应，这种交流电压感应被施加到电子单元121。与以上过程同时，位于鼓轮140内部，一端固定于轴170上而且另一端连接于鼓轮140的螺旋弹簧(未示出)得以接合。一旦释放施放器160，弹簧使鼓轮140反转，从而重绕线150，同时棘轮机械地将仍继续旋转的转子110和111与反转的鼓轮140断开。

图2是根据本发明某些实施方式的通过直齿轮对而实现速度倍增的充电器的展开图。根据某些实施方式，发电机具有进一步提高发电效率的速度倍增机构。该速度倍增机构包含二级轴270，该轴上附着包含螺旋弹簧250的重绕机构240。此外，鼓轮140也安装在二级轴270上，拉线150卷绕于该鼓轮。而且，朝着转子111和110，大齿轮230和小齿轮220可操作地连接，此处小齿轮同时连接于棘轮130。

当用户拖拉拉线150时，鼓轮140转动。大齿轮230驱动小齿轮220，这样就增加了转子110和111的旋转速度，从而使得只需要较低的扭矩就可获得相同功率，因此，可以获得较高效率。感应电压施加于电子单元121。

以上过程的同时，一端固定于二级轴270而另一端连接于鼓轮140的弹簧250得以接合。一旦释放线150，弹簧使鼓轮140反转，从而重绕线，同时离合器130机械地将仍继续旋转的转子110和111与反转鼓轮140断开。

图3是根据本发明某些实施方式，以传输带的形式进行速度倍增的充电器的展开图。根据某些实施方式，发电机具有进一步提高发电效率的速度倍增机构。该速度倍增机构包含大皮带轮280、小皮带轮282和带281。与包含螺旋弹簧250的重绕机构240同轴集成的大皮带轮280和其上卷绕拉线150的鼓轮140可以绕二级轴270自由旋转。小皮带轮282机械地连接于离合器的主动部件131。离合器的从动部件132可操作地连接于转子111和110并且可以绕主轴170自由旋转。为了增加旋转，可以使用滑动轴承291和292。

当用户拖拉拉线150时，小直径的鼓轮140就会旋转。大皮带轮280以倍增于该线的线性速度移动带281。该带驱动小皮带轮282，于是额外地增加了转子110和111的旋转速度，从而使得只需较小的扭矩就可获得相同的功率，因此，可以获得较高效率。感应电压施加于电子单元(未示出)。

与前述过程的同时，一端固定于二级轴270，而另一端连接于鼓轮140的弹簧250得以接合。一旦释放线150，弹簧使鼓轮140反转，这引起重绕线，同时离合器部件131和132机械地断开，这将仍继续旋转的转子110和111与反转鼓轮140断开。

图4是根据本发明某些实施方式，显示线圈的覆盖区的PCB120的顶视图。可以看到包含平面螺旋形回路320的线圈310。每一回路均经过配置以便可以连接于PCB120相邻层中的回路，从而实现三维螺旋形感应器。虽然明显地，梯形形状优化表面效用，但是线圈可以采用任意形状。

图5是根据本发明某些实施方式，内置12层线圈的多层印刷电路板的展开图。从附图可以很清楚，PCB120各层的导体，从401到412，都经由连接器互连，以形成多个串联线圈。

图6是根据本发明某些实施方式510的PCB120的顶视图，其显示全部线圈401到412的覆盖区和纳入电子单元中并且封装于同一PCB120上的另一导体的覆盖区520。

图7是根据本发明某些实施方式的转子110(111)的外视图。转子110包含多个永磁体，其中每两个相邻磁铁640和641具有相反极性。转子110还包含后轭610、轴毂630和保持器620，其中，磁铁所附着于后轭610上，转子110通过轴毂630安装在轴上，在高速旋转过程中，保持器620将磁体保持在适当位置并增加惯性。

图8是根据本发明某些实施方式的转子的分解视图，显示轴毂630如何形成转子110的中心，磁体640和641如何安装于轴毂630周围，以及保持器如何将其保持在一起，并增加惯性。

根据本发明某些实施方式，该充电器是一种微型设备，用于将人的机械能转化为电能向电子(电)设备供电和/或向储能器(电池)充电。

根据本发明某些实施方式，该充电器安装到手机的背面，并与手机外壳集成在一起。

在上述描述中，实施方式是本发明的示例或实现。“一个实施方式”、“实施方式”或“某些实施方式”的多种表述不必全部涉及相同实施方式。

尽管可以在单个实施方式的上下文中描述本发明的不同特征，但是也可以单独提供这些特征或采用适当的组合。相反地，尽管为了清楚起见，可以在不同实施方式的上下文中描述本发明，但是本发明还可以在单个实施方式中实现。

在说明书中，对于“某些实施方式”、“实施方式”、“一个实施方式”或“其他实施方式”的引用，表示与本发明实施方式相关的特定的特征、结构或特性被包括在本发明至少某些实施方式中而不必包括在全部实施方式中。

应当了解，此处所使用的措词和术语不是为了限制而仅仅出于解释的目的。

关于附图描述、数字和示例，可以更深地理解本发明示教的使用和原理。

应当了解，此处所阐述的细节并非出于限制本发明应用的目的。

此外，应当了解，可以采用多种方式实现或实施本发明，而且本发明可以以不在下列描述中所概述的实施方式的方式来实现。

应当了解，术语“包括”、“包含”、“由...组成”及其语法变型并不排除增加一个或多个组件、特征、步骤或其整体或其群组，以及这些术语应当理解为规定组件、特征、步骤或整体。

在说明书或权利要求涉及“一个附加的”元件的情况下，并不排除多于一个的附加元件。

应当了解，在权利要求或说明书涉及“一”(″a″)或“一”(″an″)元件的情况下，这样的引用不应当理解为仅有一个元件。

应当了解，在说明书阐明“可以(may)”、“可以(might)”、“能够(can)”或“能够(could)”包括组件、特征、结构或特性的情况下，并非要求包括这些特定的组件、特征、结构或特性。

在适当的情况下，尽管可以使用状态图、流程图或二者来描述实施方式，但是本发明并不仅限于这些图表或相应描述。例如，流程无需经过每一所图解的方框或状态，或采用如同图示和描述完全相同的顺序。

可通过手动地、自动地或二者结合地执行或完成所选步骤或任务来实现或完成本发明的方法。

术语“方法”可以指用于完成给定任务的方式、方法、技术和步骤，包括但不限于，那些已知方式、方法、技术和步骤或本发明所属的本领域技术人员易于从已知的方式、方法、技术和步骤开发的方式、方法、技术和步骤。

权利要求和说明书中所示出的描述、示例、方法和材料不应该理解为限制而仅仅出于说明的目的。

除非另外定义，此处所使用的技术和科学术语的意思应该采用本发明所属本领域普通技术人员的通常理解。

在实验或实施中，采用与此处描述相似的或等同的方法和材料来实现本发明。

任何在本说明书中所引用或提到的包括专利、专利申请和文献在内的出版物在此处作为整体成为该说明书的一部分，在如同明确地和单独地指明将每一单独出版物包括于此一样，达到相同的程度。此外，在本发明某些实施方式描述中任何引用的引述或识别不应该理解为承认该引用作为本发明的现有技术。

尽管本发明仅仅描述了有限数量的实施方式，但是这些不应当理解为对本发明范围方面的限制，而只是某些实施方式的示例。本领域技术人员会想象出同样在本发明范围内的其他可能的变化、修改和应用。相应地，本发明的范围不应当限于至此为止的描述，还包括所附加的权利要求和其法律上等价物。因此，应当理解，本发明的替代、修改和变化应当被视为在所附加权利要求的精神和范围内。

Claims (25)

1.一种微型人力充电器，该充电器使用轴向磁通发电机，用于将拉出运动转换为电流，以向由电池供电的电子设备充电和供电，所述充电器包括：

机械传输装置，该机械传输装置用于将周期性线性运动转换为单向旋转；

轴向磁通发电机，包括：

中心定子板，该中心定子板包括具有多个线圈的平面绕组，该多个线圈内置于所述板中并成圆形绕中心轴分布；

两个本质上相同的转子，所述两个转子被布置为一起绕所述中心轴旋转，并且彼此相对地在所述定子两侧与所述绕组同轴部署；和

充电控制模块，所述控制模块附加于所述定子，并且被有效地配置成将由所述发电机产生的不稳定交变电流转换为充电直流电流，

其中每一所述转子包括经周期性异极轴向磁化的磁性系统，该系统具有一定数量的极；

以及其中所述磁性系统彼此相对而且相应地定位以共同形成跨越所述平面绕组的公共磁场。

2.如权利要求1所述的充电器，其中所述机械传输装置包括：

旋转元件；

线，该线卷绕在所述旋转元件上并且一端固定于所述旋转元件，并还被配置为通过该线的另一端进行拖拉；

扭转弹簧，该扭转弹簧一端固定且另一端连接于鼓轮；

离合器，该离合器用于将所施加的扭矩从所述鼓轮单向传输至所述发电机。

3.如权利要求1所述的充电器，其中每一转子包括薄平面软磁性盘，该盘固定于每一转子背面，使附加的磁场闭合。

4.如权利要求1所述的充电器，其中充电控制器还包括整流器。

5.如权利要求1所述的充电器，其中机械传输还包括用于速度倍增的装置以增加输出旋转速度。

6.如权利要求5所述的充电器，其中所述用于速度倍增的装置包括至少一个齿轮对。

7.如权利要求5所述的充电器，其中所述用于速度倍增的装置包括至少一个带对。

8.如权利要求5所述的充电器，其中所述用于速度倍增的装置包括至少一个链对。

9.如权利要求1所述的充电器，其中所述发电机的所述平面绕组以多层印刷电路板(PCB)来实现。

10.如权利要求1所述的充电器，其中所述发电机的所述平面绕组由磁导线所卷绕的线圈制成，并且固定于所述中心定子板。

11.如权利要求1所述的充电器，其中所述发电机的所述平面绕组由通过铜冲压所生成的导体制成并且内置于所述中心定子板。

12.如权利要求1所述的充电器，其中所述发电机的所述平面绕组由通过蚀刻技术所生成的导体制成并且内置于所述中心定子板。

13.如权利要求9所述的充电器，其中所述发电机的线圈在每一层中包含平面螺旋式导体回路，该导体回路贯穿所述层互连，从而形成实质上多层三维螺旋感应器。

14.如权利要求9所述的充电器，其中所述发电机的线圈使用线圈间连接形成多相绕组，从而以额定发电机旋转速度提供所需的电压电平。

15.如权利要求9所述的充电器，其中所述发电机的线圈形成单相绕组，线圈数量等于所述转子的极的总数；线圈间连接以额定发电机旋转速度提供所需的电压电平。

16.如权利要求10所述的充电器，其中所述发电机的全部线圈串联。

17.如权利要求1所述的充电器，其中所述发电机的转子的所述异极磁性系统以多个永久磁体实现。

18.如权利要求1所述的充电器，其中所述发电机的转子的所述异极磁性系统由单件多极永久磁体制成。

19.如权利要求1所述的充电器，其中所述发电机的所述转子包含多个位于所述转子径向周界上的保持器，用于固定所述磁性系统并增加惯性。

20.如权利要求9所述的充电器，其中所述充电控制模块使用相同的PCB用于其元件间的连接。

21.如权利要求1所述的充电器，其中所述充电控制模块包含断续电能累积器。

22.如权利要求1所述的充电器，其中所述充电控制模块包含充电状态(SOC)监控装置。

23.如权利要求1所述的充电器，其中所述充电器的全部组件封装于微型的紧凑壳体中。

24.如权利要求1所述的充电器，其中所述充电器被配置成安装到手机外壳的背部。

25.如权利要求1所述的充电器，其中所述发电机被电气地配置成安装到便携式设备附件的电源插头中。

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