CN103904942A - 台阶发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种台阶发电装置，包括设置在台阶正下方的发电装置；其特征是：所述发电装置包括导磁底座（6），所述导磁底座（6）内设置有超磁致材料（2），所述超磁致材料（2）的正上方设置有导磁压力块（1）；所述超磁致材料（2）上缠绕线圈（5）；所述线圈（5）和导磁底座（6）的内侧壁之间设置有永磁体（4）；所述永磁体（4）的正上方设置有上导磁块（3）。

Description

台阶发电机

技术领域

本发明涉及一种收集人在楼梯或台阶走动时产生能量的装置，特别是将磁致伸缩材料铁镓合金和压电陶瓷材料应用于该收集器中。

背景技术

目前楼梯、台阶和依靠压力发电、能量收集的方法主要有如下几种：

1.靠永磁体产生磁力线切割线圈在线圈中感应电动势的磁感应方法；

2.靠智能材料压电陶瓷的正向效应，将压力转换成电能；

3.利用磁致伸缩材料将压力转换成电能。

专利(申请号201220199225.0,授权公告号CN202579065U）通过齿轮增速机构、齿轮连杆机构及切割磁感线装置，实现磁铁在线圈内往复移动，从而产生电能。专利（申请号201110140886，公开号201110140886）在楼梯上板处安装条形永久磁铁，当行人踏上楼梯踏板时条形永久磁铁上下移动，永久磁铁产生的磁力线切割电磁线圈产生感应电势。专利（申请号201010212908.0，公开号CN102299583A）利用齿条带动齿轮驱动发电机发电。专利（申请号200920147090.1，公开号：CN201383738）由大齿轮、杠杆和发电机实现路面、铁路和楼梯的发电。专利（申请号201210471786.6，公开号CN103023376A）利用压电原件正压电效应将人们上下楼产生的踏压能量转换成电能。专利（申请号201310139596.9，公开号CN103178747A）利用弹簧、压电陶瓷片将楼梯压力转换为电能。专利（申请号：201220161091公开号：202520489U）将压板一端以转轴为固定支点，另一端通过转轴与摆齿固定，摆齿与升速齿轮啮合，升速齿轮与输出齿轮啮合传动，输出齿轮通过超越离合器与直流发电机传动。专利（申请号：201110407031.5公开号：CN102410164A）由齿条带动两组反置增速机构，通过带传动带动发电机发电，将路面交替压力转换为电能。专利（申请号：200910059167.4，公开号：CN101882887A）采用稀土大磁滞伸缩材料在其外侧缠绕线圈，作为发电模块放置在火车枕木下，将火车的压力转换成电能。

综上所述，第一种方法需要使用齿轮、杠杆或弹簧等机械机构实现永磁体磁通快速切割线圈；这种方法不足地方在于楼梯或者台阶踏板在人踩上和离开时必须有较大行程位移，足以满足通过转换机构后的永磁体产生大位移移动，从而获得较大的感应电势。

第二种方法利用压电陶瓷材料将压力机械能转换成电能；这种方法不足之处在于压电陶瓷材料比较脆，机械性能不好，容易损坏。

第三种方法虽然采用大磁致伸缩材料；然而，目前采用的方法只是导磁率较低的磁致伸缩材料，而且结构中没有采用永磁体，直接将线圈缠绕于磁致伸缩材料上，影响能量转换效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的台阶发电装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种台阶发电装置，包括设置在台阶正下方的发电装置；所述发电装置包括导磁底座，所述导磁底座内设置有超磁致材料，所述超磁致材料的正上方设置有导磁压力块；所述超磁致材料上缠绕线圈；所述线圈和导磁底座的内侧壁之间设置有永磁体；所述永磁体的正上方设置有上导磁块。

作为以上所述的一种台阶发电装置的改进：所述导磁压力块抵住台阶的下表面；所述永磁体与台阶的下表面之间设置有空隙。

一种台阶发电装置的发电方法：所述永磁体、上导磁块、导磁压力块和超磁致材料形成磁回路Ⅰ；所述永磁体、上导磁块和导磁底座形成磁回路Ⅱ；改变超磁致材料的导磁性能，使得永磁体产生的磁通不断得在磁回路Ⅰ和磁回路Ⅱ之间交替流通，继而就可以通过线圈中感应出电动势，并产生电能，输出到负载。

作为以上所述的一种台阶发电装置的发电方法的改进：所述超磁致材料的导磁性能通过如下步骤改变：向导磁压力块施加作用力F，由导磁压力块将作用力F传递到超磁致材料，使得超磁致材料产生形变，磁阻增加；撤销向导磁压力块施加的作用力F，产生形变的超磁致材料恢复形变前的形状，磁阻恢复。

作为以上所述的一种台阶发电装置的发电方法的进一步改进：线圈中感应出电动势的步骤如下：超磁致材料磁阻增加的时候，通过磁回路Ⅰ的磁通减少，通过磁回路Ⅱ的磁通相应的增加，永磁体与线圈链接磁通减少；超磁致材料磁阻恢复的时候，通过磁回路Ⅱ的磁通减少，通过磁回路Ⅰ的磁通恢复原有水平，永磁体与线圈链接磁通增加；通过永磁体与线圈链接的磁通变化，由线圈感应出电动势。

为了实现收集人在踩踏楼梯和台阶时产生的能量。本发明利用磁致伸缩材料铁镓合金的逆磁滞效应，利用铁镓合金受压后的导磁性能变化特性，将永磁体在线圈中感应的电能捕获，实现台阶和楼梯发电，该收集的电能可以用来点亮夜间LED照明灯，也可以为传感器提供电能，或者检测楼梯是否有人走动。

本发明采用磁致伸缩材料铁镓合金，利用其逆磁滞效应，在压力变化时，其导磁性能也随之发生变化，从而改变永磁体部分磁通磁路流向，最终在线圈中感应出电势。相比于目前已有的方法，本发明具有体积小、踏板位移小、不易损坏和转换效率高的优点。本发明中所提的结构不需要第一种方法中的齿轮和杠杆转换机构，因此，体积相对较小。而且，在人踩上和离开踏板时铁镓合金的形变量是微米级的，踏板位移量远小于第一种方法。铁镓合金可以承受100MPa的压力，机械强度非常好，还可以焊接，整个装置稳定性比采用压电陶瓷装置更高。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的未加压力时永磁体磁力线分布示意图。

图3为本发明的加压力时永磁体磁力线分布示意图。

图4为本发明的铁镓合金励磁磁通示意图；

图5为本发明使用的时候的主要机构示意图；

图6为图5的俯视结构示意图。

具体实施方式

实施例1、图1～图6给出了一种台阶发电装置，包括设置在台阶正下方的发电装置，发电装置包括导磁压力块1、超磁致材料2、上导磁块3、永磁体4、线圈5和导磁底座6；导磁底座6上设置超磁致材料2，超磁致材料2的正上方设置有导磁压力块1；在超磁致材料2上缠绕线圈5，线圈5和导磁底座6之间设置永磁体4，永磁体4的正上方设置上导磁块3；通过导磁压力块1、超磁致材料2以及上导磁块3构成的磁回路Ⅰ7，再通过上导磁块3以及导磁底座6构成的磁回路Ⅱ8。永磁体4产生的磁通分别通过磁回路Ⅰ7和磁回路Ⅱ8。

如图5所示，在使用的时候，导磁底座6设置在台阶下底座15正上，相对于导磁压力块1，在台阶14的下表面设置压力块13，通过压力块13传递施加在台阶上的作用力F。上导磁块3与台阶14的下表面之间隔离出相应的空隙，使得在导磁压力块1受到作用力F的时候，该作用力F不会传递到上导磁块3。

本发明的台阶发电装置的使用方法如下：

1、人在踩踏台阶14的时候，由于人体重量的原因，向下施加了作用力F；

2、作用力F依次通过台阶14和压力块13传递到导磁压力块1，再由导磁压力块1将作用力F传递到超磁致材料2；

3、超磁致材料2在受到作用力F的时候，根据作用力F的大小，做出相应的形变；

4、由于超磁致材料2在受到作用力F的时候，发生形变（必然导致超磁致材料2缩短），导致超磁致材料2的磁阻增加，所以此时，通过磁回路Ⅰ7的磁通由于超磁致材料2的磁阻增加而逐渐减少，相应的，由于磁回路Ⅱ8内的磁阻并没有发生改变，所以原先通过超磁致材料2的部分磁通将通过此时磁阻相对较小的导磁底座6；

5、由于人前进的时候，双脚交替的踩踏在相应的台阶14上，所以在一只脚抬起的时间内，超磁致材料2在受到作用力F将消失，此时，超磁致材料2回复未受到作用力F时的形状；

6、由于超磁致材料2的形状恢复，所以磁阻也逐渐减少，直到恢复原先的磁阻，所以此时，通过磁回路Ⅰ7的磁通由于超磁致材料2的磁阻减小而逐渐增加，相应的，由于磁回路Ⅱ8内的磁阻并没有发生改变，所以步骤4中通过导磁底座6的部分磁通将重新通过此时磁阻逐渐恢复原来水平的超磁致材料2。

在以上的步骤4和步骤6中，磁通不断得在磁回路Ⅰ7和磁回路Ⅱ8中交替，而由于磁回路Ⅰ7中的超磁致材料2上缠绕着线圈5，所以磁回路Ⅰ7中的磁通改变，将直接影响到线圈5与永磁体4之间的磁通链接；如在步骤4中，由于通过磁回路Ⅰ7的磁通相应的减少，所以永磁体4与线圈5的磁通链接相应的减少，而在步骤6中，由于通过磁回路Ⅰ7的磁通恢复到步骤4之前的水平，所以永磁体4与线圈5的磁通链接恢复之前的水平，而通过磁通的不断变化，使得线圈5感应出电动势，产生电能，而将线圈5与相应的负载相连接，就可以将产生的电能进行相应的利用，如楼道的LED灯、楼道中的声控传感器等，也可以通过将产生的电能作为模拟信号输入到相应的设备中，形成相应的数字信号，实现相应监测作用。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种台阶发电装置，包括设置在台阶正下方的发电装置；其特征是：所述发电装置包括导磁底座（6），所述导磁底座（6）内设置有超磁致材料（2），所述超磁致材料（2）的正上方设置有导磁压力块（1）；

所述超磁致材料（2）上缠绕线圈（5）；

所述线圈（5）和导磁底座（6）的内侧壁之间设置有永磁体（4）；

所述永磁体（4）的正上方设置有上导磁块（3）。

2.根据权利要求1所述的一种台阶发电装置，其特征是：所述导磁压力块（1）抵住台阶的下表面；

所述永磁体（4）与台阶的下表面之间设置有空隙。

3.根据权利要求2所述的一种台阶发电装置，其特征是：永磁体（4）的充磁方向为轴向。

4.一种台阶发电装置的发电方法，其特征是：所述永磁体（4）、上导磁块（3）、导磁压力块（1）和超磁致材料（2）形成磁回路Ⅰ（7）；所述永磁体（4）、上导磁块（3）和导磁底座（6）形成磁回路Ⅱ（8）；

改变超磁致材料（2）的导磁性能，使得永磁体（4）产生的磁通不断得在磁回路Ⅰ（7）和磁回路Ⅱ（8）之间交替流通，继而就可以通过线圈（5）中感应出电动势，并产生电能，输出到负载。

5.根据权利要求4所述的一种台阶发电装置的发电方法，其特征是：所述超磁致材料（2）的导磁性能通过如下步骤改变：

向导磁压力块（1）施加作用力F，由导磁压力块（1）将作用力F传递到超磁致材料（2），使得超磁致材料（2）产生形变，磁阻增加；

撤销向导磁压力块（1）施加的作用力F，产生形变的超磁致材料（2）恢复形变前的形状，磁阻恢复。

6.根据权利要求5所述的一种台阶发电装置的发电方法，其特征是：线圈（5）中感应出电动势的步骤如下：

超磁致材料（2）磁阻增加的时候，通过磁回路Ⅰ（7）的磁通减少，通过磁回路Ⅱ（8）的磁通相应的增加，永磁体（4）与线圈（5）链接磁通减少；

超磁致材料（2）磁阻恢复的时候，通过磁回路Ⅱ（8）的磁通减少，通过磁回路Ⅰ（7）的磁通恢复原有水平，永磁体（4）与线圈（5）链接磁通增加；

通过永磁体（4）与线圈（5）链接的磁通变化，由线圈（5）感应出电动势。

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