CN104009608A - 一种人体足部机械能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于生活用品节能领域,涉及一种人体足部环境下的机械能发电装置，具体涉及电磁式发电方式工作的发电鞋。本发明设计的机械能采集发电装置能够在鞋内有限的空间，通过液体腔吸收人体踩踏的能量，将人体足部垂直方向的动量转变为特制的磁体活塞水平方向的动量，并以独特的磁体和线圈排列结构提高发电效率。

Description

一种人体足部机械能发电装置

技术领域

本发明属于生活用品节能领域,涉及一种人体足部环境下的机械能发电装置，具体涉及电磁式发电方式工作的发电鞋。

背景技术

人体足部环境下的机械能发电装置采用吸收机械能的方式来产生电能，与传统的需要消耗煤、石油的发电方式相比，具有无废弃物排放，工作无噪声，结构较为简单，节约能源，方便随身携带，被动式发电等优点，是一种十分优秀的绿色、环境友好型的能源收集装置发电方式。利用吸收机械能的技术，可以将工业与生活中种种缓冲制动过程中浪费掉的摩擦力与冲击力吸收，进而转化成电能。正是由于吸收机械能具有上述优点，所以在未来的能源领域，将人体环境中的机械能转换为电能将得到更为广泛应用。

现在已经有多种类型的应用在足部的机械能发电装置，一般来说发电鞋的发电原理分为3种，分别为机械齿轮传动、压电效应以及电磁效应发电。例如黄淞在其专利《发电鞋》(CN102273764A)中提出一种利用人体踩踏时的位移推动齿条移动，然后带动齿条啮合的齿轮转动，从而驱动发电机发电，在足部抬起时，弹性球再带动齿条回复原位。这样的方法弱点首先是装置在工作时一直处于摩擦状态，齿轮等装置很容易损坏；其次是人体行走时足部的垂直方向位移较小，齿条的行程较短，直接利用垂直方向的位移很难充分利用踩踏的能量。又例如，王志坤在其专利《多功能磁力发电鞋》(CN102334772A)提出一种电磁式的应用在足部的发电装置，该装置在人体行走时的挤压作用下，永磁体会发生上下运动，从而使附近线圈内的软磁体不断改变磁极来切割磁感线的磁力发电装置。这种方法由于足部垂直位移小，改变软磁体磁极的效果并不明显。再有，李伟进、张鹏在其专利《发电鞋》(CN2762591)中提出了一种利用压电材料来进行发电的方式，通过足部踩踏在气囊上缓冲，将压力传递给压电材料，然后通过压电效应来产生电能。这样的方法在目前的材料水平下实现具有较大的难度，目前压电材料的强度较差，在经受反复冲击的情况下非常容易损坏，降低冲击力又会使发电效率降低，所以对材料的要求较高，不易以低成本实现。

发明内容

针对现有发明中存在的缺陷，本发明设计的机械能采集发电装置能够在鞋内有限的空间，通过液体腔吸收人体踩踏的能量，将人体足部垂直方向的动量转变为特制的磁体活塞水平方向的动量，并以独特的磁体和线圈排列结构提高发电效率。

本发明装置的整体结构包括线圈外壳，发电线圈匝组，磁体活塞，磁体活塞外壳，与磁体活塞外壳整体成型的软管接口，液压囊、与液压囊整体成型的软管，整流稳压模块，连接发电线圈与整流稳压模块的导线、储能元件、连接整流稳压模块与储能元件的导线；磁体活塞包括磁体组固定结构、磁体组和缓冲部件三部分，磁体组由两块以上磁体组成，并嵌入磁体组固定结构中，缓冲部件安装在磁体固定结构的两端；

其装置整体结构及连接关系如下：

磁体活塞位于磁体活塞外壳内且与磁体活塞外壳间隙配合，在磁体活塞外壳外部用一根导线缠绕出与磁体数量相同的发电线圈匝，构成发电线圈匝组，发电线圈匝组的左右两端分别置于磁体活塞外壳的左右两端，并将发电线圈匝组的两端分别各连接一根导线，将缠绕发电线圈匝组的活塞外壳置于线圈外壳中，连接发电线圈匝组两端的两根导线穿过线圈外壳靠近脚跟的一端，分别连接到位于脚跟上方脚踝处的整流稳压电路模块稳压桥的两端上，其正极通过导线与储能模块的正极相连、其负极与储能模块的负极相连；脚跟与脚掌处的液压囊分别连接两根与液压囊整体成型的软管，软管固定套接于与磁体活塞外壳整体成型、并穿出线圈外壳的软管接口上。

磁体组采用相邻磁体的相同磁极直接相对的结构，且每两个相邻磁体之间的间距大于或等于磁体的厚度。

发电线圈匝组2由导线以顺时针和逆时针方向交替在磁体外壳上缠绕；发电线圈匝的数量与磁体数量相同，每个发电线圈匝的宽度与磁体的厚度相同，同时相邻发电线圈匝之间的距离也等于相邻磁体之间的距离。

有益效果

1、本发明采用了液加水平放置的软管的结构将人体足部运动时产生的垂直动量转变为液体的水平动量，从而加长磁体活塞行程；并采用了相邻磁体的相同磁极向对的磁体活塞结构和与之相配合的顺时针与逆时针缠绕的线圈匝相互交错的结构，在有限的空间内尽可能的提高发电效率。

2、本发明的机理使发电装置结构较为简单，使用材料成本也要求不高，材料很易获取，易于实现低成本。

3、本发明机械机构工作时属于活塞运动，运动部件浸泡于液体中磨损较小，提高了装置的可靠性。

附图说明

图1是发电鞋装置整体示意图的示意图。

图2是发电系统结构示意图。

图3是磁体活塞外壳的示意图。

图4是磁体活塞的结构示意图。

图5是系统原理示意图。

其中：1-线圈外壳，2-发电线圈匝组，3-磁体活塞外壳，4-磁体组固定结构，5-磁体组，6-缓冲部件，7-软管接口，8-软管，9-液体腔，10-整流稳压模块，11-导线I，12-储能元件,13-导线II；

具体实施方式

下面对本发明的机械能采集变换部分作进一步说明，本机械能发电装置中各个部分的设计和选材如下所述：

本实施方式中装置外壳采用铝合金；

磁体活塞是发电的主体，也是本发明最重要的组成部分。本实施例为了提高发电的功率，采用了相邻磁体的相同磁极直接相对的结构。由于磁感线是不相交的，同两极的靠近会使每块磁铁的磁感线被束缚在该磁铁附近，这样在运动的过程中可以提高周围线圈中的磁通变化率。而固定结构则选用铝合金制成，分两半，呈长方体结构，一侧拥有可以将磁铁嵌入的半圆形槽。将磁体嵌入后，将两半固定结构拼合，则可以完成对磁体活塞的安装，同时对磁铁起到密封、保护、固定的作用。

发电线圈是发电结构的重要组成部分，由于相邻磁铁的磁极排列是交替相反的，所以线圈的绕制也是交替相反的，用导线以顺时针和逆时针方式交替绕制成线圈，发电线圈的数量与磁体数量相同，线圈的宽度与磁铁的厚度相同，同时发电线圈之间的距离也与磁体之间的距离相等，本实施方式选取了铜导线来完成线圈的绕制。

在本实施例中，液压囊由橡胶材料来制作；液压囊用于贮藏液体，并在受到外部作用力挤压的时候能将液体排出。由于液体腔位于人体的脚跟和脚掌部分，所以在正常工作的过程中，两个液体腔会交替的受到挤压，使其中的液体在外力的驱动下不断地挤出和流回，从而驱动磁体活塞的运动。软管作为连接液体腔与磁体活塞所处的腔的液体输送管道，同样由橡胶制成；由于人体运动较为复杂，为了防止软管与液体腔相对运动从而导致泄漏发生，所以在制作的过程中采用整体制模的形式，将软管与液体腔作为一个整体进行制造。

本实施例的整流稳压模块由四个二极管搭建的单相桥式整流电路和场效应管(MOSFET)开关稳压电路组成。

本实施案例采用超级电容器作为储能元件。

上述部件选型完成后，既可以按照附图1中所示的连接方式将各个部件连接起来，具体连接方式如下：

包括线圈外壳1，发电线圈匝组2，磁体活塞，磁体活塞外壳3，与磁体活塞外壳整体成型的软管接口7，液压囊8、与液压囊整体成型的软管9，整流稳压模块10，连接发电线圈2与整流稳压模块10的导线11，储能元件12,连接整流稳压模块10与储能元件12的导线13；磁体活塞包括磁体组固定结构4、磁体组5和缓冲部件6三部分，磁体组由两块以上磁体组成，并嵌入磁体组固定结构4中，缓冲部件6安装在磁体固定结构4的两端；

其装置整体结构及连接关系如下：

磁体活塞位于磁体活塞外壳3内且与磁体活塞外壳3间隙配合，在磁体活塞外壳3外部用一根导线缠绕出与磁体数量相同的发电线圈匝，构成发电线圈匝组2，发电线圈匝组2的左右两端分别置于磁体活塞外壳3的左右两端，并将发电线圈匝组2的两端分别各连接一根导线13，将缠绕发电线圈匝组2的活塞外壳3置于线圈外壳1中，连接发电线圈匝组2两端的两根导线13穿过线圈外壳1靠近脚跟的一端，分别连接到位于脚跟上方脚踝处的整流稳压电路模块10稳压桥的两端上，其正极通过导线11与储能模块12的正极相连、其负极与储能模块12的负极相连；脚跟与脚掌处的液体腔9分别连接两根与液压囊8整体成型的软管9，软管9固定套接于与磁体活塞外壳3整体成型、并穿出线圈外壳1的软管接口7上。

磁体组5采用相邻磁体的相同磁极直接相对的结构，且两个相邻磁体之间的间距大于或等于磁体的厚度。

发电线圈匝组2由导线以顺时针和逆时针方向交替在磁体外壳上缠绕，发电线圈匝的数量与磁体数量相同，每个发电线圈匝的宽度与磁体的厚度相同，同时相邻发电线圈匝之间的距离也等于相邻磁体之间的距离。

本发明中人体足部环境下的机械能发电工作原理及实现方式如下：

当行走时，足跟部或脚掌部落地，挤压足根部或脚掌部的液体腔8，将液体顺软管9、经软管连接口7被推入磁体活塞外壳，并向前推动磁体组5和磁体组固定结构4作为磁体活塞整体向前穿过发电线圈组2，使磁体组5中的每块磁体的磁力线被发电线圈组中的不同线圈所切割，引起发电线圈组2中每个线圈内磁通量变化，使发电线圈组2中产生交流电，该电流分别从线圈组两端经两根导线11流入整流稳压模块10整流桥的两端，经整流转变为直流电，再经过稳压后分别由整流稳压模块输出端的正、负极经两根导线13输出至储能模块的正、负极，成为可以直接应用于人们日常生活的低压直流电。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种人体足部环境下的机械能发电装置，其特征在于，包括线圈外壳(1)，发电线圈匝组(2)，磁体活塞，磁体活塞外壳(3)，与磁体活塞外壳整体成型的软管接口(7)，液压囊(8)、与液压囊整体成型的软管(9)，整流稳压模块(10)，连接发电线圈(2)与整流稳压模块(10)的导线(11)，储能元件(12),连接整流稳压模块(10)与储能元件(12)的导线(13)，磁体活塞包括磁体组固定结构(4)、磁体组(5)和缓冲部件(6)三部分，磁体组由两块以上磁体组成，并嵌入磁体组固定结构(4)中，缓冲部件(6)安装在磁体固定结构(4)的两端；

其装置整体结构及连接关系如下：

磁体活塞位于磁体活塞外壳(3)内且与磁体活塞外壳(3)间隙配合，在磁体活塞外壳(3)外部用一根导线缠绕出与磁体数量相同的发电线圈匝，构成发电线圈匝组(2)，发电线圈匝组(2)的左右两端分别置于磁体活塞外壳(3)的左右两端，并将发电线圈匝组(2)的两端分别各连接一根导线(13)，将缠绕发电线圈匝组(2)的活塞外壳(3)置于线圈外壳(1)中，连接发电线圈匝组(2)两端的两根导线(13)穿过线圈外壳(1)靠近脚跟的一端，分别连接到位于脚跟上方脚踝处的整流稳压电路模块(10)稳压桥的两端上，其正极通过导线(11)与储能模块(12)的正极相连、其负极与储能模块(12)的负极相连；脚跟与脚掌处的液体腔(9)分别连接两根与液压囊(8)整体成型的软管(9)，软管(9)固定套接于与磁体活塞外壳(3)整体成型、并穿出线圈外壳(1)的软管接口(7)上。

2.如权利要求1所述的人体足部环境下的机械能发电装置，其特征在于

磁体组(5)采用相邻磁体的相同磁极直接相对的结构。

3.根据权利要求2所述的人体足部环境下的机械能发电装置，其特征在于所述磁体组(5)中每两个相邻磁体之间的间距大于或等于磁体的厚度。

4.根据权利要求1所述的人体足部环境下的机械能发电装置，其特征在于：发电线圈匝组(2)由导线以顺时针和逆时针方向交替在磁体外壳上缠绕。

5.根据权利要求1所述的人体足部环境下的机械能发电装置，其特征在于发电线圈匝的数量与磁体数量相同，每个发电线圈匝的宽度与磁体的厚度相同，同时相邻发电线圈匝之间的距离也等于相邻磁体之间的距离。