CN104767267A - 一种基于直线电机的便携式发电设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械和电学技术领域,特别是基于直线电机的便携式发电设备,包括机械能转换装置、直线电机、储能装置以及用电设备,本发明在人体处于运动状态时,人体运动产生的能量转换成机械能传递给动子,动子上永磁体同时运动产生变化的磁场,由于绕组线圈内部磁通量发生变化,从而产生感应电动势,将绕组线圈外接电力变换模块,将得到的电能进行存储或者直接使用。特别地,在动子两端设置回弹装置,该回弹装置能够让动子在次级结构与初级结构之间做多次的循环往复运动又不造成能量损失,且由于动子与初级结构及次级结构之间接触的面摩擦系数很小,能量损失极小,发电效率很高;装置简单,容易实现装置的小型化和低成本化。
Description
技术领域
本发明属于机械和电学技术领域,特别是将人体运动产生的机械能通过直线电机转换为电能的基于直线电机的便携式发电设备。
背景技术
众所周知,人体蕴含着被人类忽视的尚未开发利用巨大能量。它含有化学能、静电能、热能和机械能。Niu等人对人体运动产生的机械能进行了研究,研究表明:通过运动人体的各个部位会产生不同大小的能量,例如:踝关节运动产生69.8W能量、膝关节运动产生49.5W能量、肘部运动产生2.1W能量、肩膀运动产生2.2W能量。但是这些能量往往已经被人们忽略了,比如在人们的各种户外运动中(如:野外徒步旅行、野外登山运动)随着人体的剧烈运动产生大量的机械能。如果能够将这些机械能转化为电能,就能够解决人们在户外运动时给所携带电子产品供电的问题。
现有技术中有便携式发电装置。例如,申请号为“200620106769.2”公开了一种便携式发电机。该发电机包括封闭式机箱,在机箱内部装有发动机,永磁发电机装在发动机的箱体上,吸冷风罩采用紧固件与发动机箱体连接,手动拉盘紧固安装在吸冷风罩的前端面,发动机上部导风板安装在发动机的主轴及发动机的安装面平行的发动机箱体的上部,从而形成冷却通风道A;发动机底部导风板安装在发动机的主轴及发动机的安装面平行的发动机箱体的底部,从而形成冷却通风道C。此发电机冷却风道密封性好,能够保证冷却风扇吸进的冷风全部通过冷却风道,从而对发动机进行充分冷却,保证发动机高效率运转。但是 该发电机使用柴油作为燃料,浪费能源。
又如,申请号为“201310334048.1”公开了一种便携式发电装置。该装置包括永磁体组、滚动机构、滚动面、回弹机构、感应线圈和壳体。壳体内壁上固定连接滚动面,在滚动面的一侧设置为安装有滚动机构的永磁体组,在滚动面的另一侧设置为感应线圈。在滚动面与壳体内壁连接的部位设置有回弹装置,永磁体组通过滚动机构在滚动面上滚动式移动。该装置是依据电磁感应原理把人体或动物携带的机械能转化为电能的。但是装置过于复杂,并且相对于本发明而言效率不高。
相对于以往的便携式发电装置,本发明是一种基于直线电机的便携式发电设备,主要应用了直线电机的相关原理。直线发电机时代开始于80年代中期。1991年,里贾纳(Regina)大学的研究员Joseph F.Kos研制了直线发电机的模形;1998年西维吉尼亚(WVU)大学的教授Clark设计了第一代稳定运行的直线发电机,其采用火花塞点火方式,活塞的冲程值可达到50mm,测得最大的输出功率为316W;20世纪90年代,学者Parviz Fanouri和学者Cawthome W R针对自由活塞式内燃机设计了一台管状(圆筒型)直线发电机,实验测得输出最大功率为316W;皇家技术研究所(KTH)的研究员Waqas M.Arshad等设计了一款轴向磁化的直线发电机,与径向式相比,有质量小、漏磁少的优点,但也有功率因数低、制作成本高等缺点,之后,研究员Alija Cosic在此基础上设计了新的方案,能得到高达94%的效率和0.74的功率因数;在国内,直线发电机的研究起步较晚,近几年,相应的研究机构呈增多趋势,例如,浙江大学、沈阳工业大学、哈尔滨工业大学、天津大学、中科院等。这些机构针对不同的应用场合对直线发电机进行了研究,比如海浪发电、汽车尾气发电、太阳能热 发电等。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足,提供一种电能转换效率高的利用人体运动产生的机械能通过直线电机转换为电能的基于直线电机的便携式发电设备。
为解决上述问题,本发明采取的技术方案为:包括用于将人体运动所释放出来的机械能转化为电能的直线电机以及用于将直线电机输出的电能储存起来的储能装置;
所述的直线电机由外向内依次包括壳体、初级结构以及次级结构,在初级结构与次级结构之间设置有沿次级结构轴向做循环往复运动的动子,且动子与初级结构以及次级结构之间均存在气隙;
所述的动子包括设置在初级结构与次级结构之间的钢套以及表贴式装设在钢套上的永磁体,且在动子两端设置有使动子做多次循环往复运动回弹装置;
所述的初级结构为圆筒形,初级结构内圈表面沿径向开有若干个凹槽,在凹槽内散嵌有绕组线圈;
储能装置通过电力变换模块与直线电机的输出端相连,且电力变换模块的输出端还与用电设备连接,该用电设备与储能装置并联。
所述的电力变换模块包括依次连接的整流装置、稳压装置和DC-DC变换装置;
所述的整流装置采用与绕组线圈相连的全桥整流电路,该全桥整流电路包括二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3以及二极管VD4;所述二极管VD1与二极管VD4串联形成支路一,所述二极管VD3与二极管VD2串联形成支路二,支路一和支路二作用于交流电一个周期中的不同时期;
所述的稳压装置是电容C;
所述的DC-DC变换装置采用降压斩波电路,该降压斩波电路包括场效应管MOSFET1、二极管VD5、电感L以及电阻R;
其中,场效应管MOSFET1的集电极接二极管VD3的负极,场效应管MOSFET1的发射极接二极管VD5的负极以及电感L的一端,电感L的另一端通过电阻R接储能装置的正极,储能装置的负极接二极管VD5的正极以及二极管VD4的正极。
所述的绕组线圈是线径为0.1毫米的漆包铜线。
所述的回弹装置能够改变动子的运动方向,使其反向运动并且没有能量损耗;所述的回弹装置是指弹簧;回弹装置装设在最大外径对应于永磁体位置的壳体内部。
初级结构的内表面和次级结构的外表面的摩擦系数为0.08。
所述的储能装置是铅酸蓄电池。
所述的初级结构由硅钢片沿轴向叠压而成,次级结构由圆环形的硅钢片沿轴向叠压而成。
所述的永磁体采用钕铁硼材料。
所述的永磁体的数量为单个或者多个;当永磁体数量是多个时,永磁体的充磁方式采用Halbach式。
所述的直线电机采用圆筒形动磁直线电机。
所述的凹槽为梨型槽。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:本发明在人体处于运动状态时,人体运动产生的能量转换成机械能传递给动子,动子上永磁体同时运动产生变 化的磁场,由于绕组线圈内部磁通量发生变化,从而产生感应电动势,将绕组线圈外接电力变换模块,将得到的电能进行存储或者直接使用,且在动子两端设置回弹装置,该回弹装置能够让动子在次级结构与初级结构之间做多次的循环往复运动又不造成能量损失,且由于动子与初级结构及次级结构之间接触的面摩擦系数很小,能量损失极小,发电效率很高;装置简单,容易实现装置的小型化和低成本化。
更进一步,本发明的次级结构由圆环形的硅钢片沿轴向叠加而成,从而减小了涡流损耗。
更进一步,梨形槽具有槽面积利用率高和冲模寿命长等优点
附图说明
图1为本发明的直线电机的结构示意图;
图2本发明的直线电机横切面示意图;
图3为本发明的永磁体充磁方式示意图;
图4为本发明的电力变换模块结构示意图;
其中,1、初级结构 2、次级结构 3、绕组线圈 4、永磁体 5、钢套 6、回弹装置 7、壳体 8、气隙。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细说明:
参见图1至图4,本发明包括用于将人体运动所释放出来的机械能转化为电能的直线电机以及用于将直线电机输出的电能储存起来的储能装置;直线电机由外向内依次包括壳体7、初级结构1以及次级结构2,在初级结构1与次级结构2之间设置有沿次级结构2轴向做循环往复运动的动子,且动子与初级结构1 以及次级结构2之间均存在气隙8,动子包括设置在初级结构1与次级结构2之间的钢套5以及表贴式装设在钢套5上的永磁体4,且在动子两端设置有使动子做多次循环往复运动的回弹装置,回弹装置装设在最大外径对应于永磁体4位置的壳体7内部;
初级结构1为圆筒形,由硅钢片沿轴向叠加而成,在初级结构1内圈表面沿轴向开有一个或者若干个凹槽,在凹槽内散嵌有绕组线圈3,该凹槽为梨形槽,梨形槽具有槽面积利用率高和冲模寿命长等优点,次级结构2由圆环形的硅钢片沿轴向叠加而成,从而减小了涡流损耗。
储能装置通过电力变换模块与直线电机的输出端相连,且电力变换模块的输出端还与用电设备连接,该用电设备与储能装置并联。
电力变换模块包括依次连接的整流装置、稳压装置和DC-DC变换装置;
本发明的整流装置采用与绕组线圈3相连的全桥整流电路,目的是为了直线电机发出的交流电转换为直流电;稳压装置是大电容,目的是用于稳定全桥整流电路后的电压;DC-DC变换装置是应用了降压斩波电路,目的是用于调整整流装置输出的电压和电流。
该全桥整流电路包括二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3以及二极管VD4;二极管VD1与二极管VD4串联形成支路一,二极管VD3与二极管VD2串联形成支路二,支路一和支路二作用于交流电一个周期中的不同时期。
稳压装置是大电容C。
DC-DC变换装置采用降压斩波电路,该降压斩波电路包括场效应管MOSFET1、二极管VD5、电感L以及电阻R;
其中,场效应管MOSFET1的集电极接二极管VD3的负极,场效应管MOSFET1 的发射极接二极管VD5的负极以及电感L的一端,电感L的另一端通过电阻R接储能装置的正极,储能装置的负极接二极管VD5的正极以及二极管VD4的正极;
本发明的绕组线圈3是线径为0.1毫米的漆包铜线。
动子能够循环往复的运动,当动子运动到回弹装置6时,回弹装置6能够改变动子的运动方向,由于初级结构的内表面和次级结构的外表面的摩擦系数为0.08,使其反向运动几乎没有能量损耗。回弹装置6是指弹簧。
所述的储能装置是铅酸蓄电池。
永磁体4是选用钕铁硼材料,钕铁硼是目前磁性能最高的永磁材料,并且价格也在稀土材料中占优势;永磁体的数量可以是单个或者多个;永磁体数量是多个时,永磁体的充磁方式采用Halbach式。Halbach式充磁方式适合大气隙电机,有利于磁场的增强,可减小永磁体的用量,及减小电机的体积,从而可提高发电机的功率密度。
本发明的工作原理:当人体携带本装置时,并处于运动状态下,人体运动产生的机械能传递给动子,动子上的永磁体随着动子运动;由于永磁体4位置的改变,使得直线电机内磁场产生变化,从而使绕组线圈3内部的磁通量发生变化,从而产生感应电动势;将绕组线圈3外接整流装置、稳压装置和DC-DC变换装置,得到的电能就可以进行存储或者直接使用。特别地,本发明还包括回弹装置6,回弹装置6使动子运动到其中一个回弹装置6时能够把动子弹向另外一端,当动子运动到另外一端时另一端的回弹装置6能够同样作用于动子,从而能够让动子多次的循环往复运动又不造成能量损失。本发明的一种基于直线电机的便携式发电装置由初级结构1、次级结构2、绕组线圈3、永磁体4、钢 套5、回弹装置6和壳体7组成。初级结构1是由硅钢片叠压而成,初级结构上面有一个或者多个梨型槽,绕组线圈3散嵌在初级结构的梨型槽内部,绕组线圈是线径为0.1毫米的漆包铜线。永磁体4表贴式装设在钢套5上组成动子,动子接触到的面(初级结构的内表面和次级结构的外表面)摩擦系数很小。永磁体为钕铁硼材料,数量为一个或者多个;钢套的内部是次级结构,次级结构由圆环形的硅钢片沿轴向叠加而成。回弹装置装设在最大外径对应于永磁体位置的壳体内部。该便携式发电装置可以佩戴在人体的踝关节(此处人体运动产生的机械能最大),也可以直接放置到背包等物品内。放置时最好是竖直放置(当该装置竖直放置时,动子达到底部时回弹装置中不仅有动子的动能,还有动子由高处落下产生的重力势能)。该便携式发电装置发出的电能可以给充电设备进行储存,也可以直接用于各种电子产品中。
人体在运动的过程中由于上下起伏重力势能改变,连带着直线电机内部动子重力势能改变,从而使动子进行运动,转化为动子的动能,此为机械能转换装置的原理:人体重力势能改变,导致动子重力势能改变,动子运动。
也是在携带时要将该设备竖直放置的原因竖直放置时由于人体运动导致动子重力势能改变最大,从而使动子的能量越大。
Claims (10)
1.一种基于直线电机的便携式发电设备,其特征在于:包括用于将人体运动所释放出来的机械能转化为电能的直线电机以及用于将直线电机输出的电能储存起来的储能装置;
所述的直线电机由外向内依次包括壳体(7)、初级结构(1)以及次级结构(2),在初级结构(1)与次级结构(2)之间设置有沿次级结构(2)轴向做循环往复运动的动子,且动子与初级结构(1)以及次级结构(2)之间均存在气隙(8);
所述的动子包括设置在初级结构(1)与次级结构(2)之间的钢套(5)以及表贴式装设在钢套(5)上的永磁体(4),且在动子两端设置有使动子做多次循环往复运动回弹装置(6);
所述的初级结构(1)为圆筒形,初级结构(1)内圈表面沿径向开有若干个凹槽,在凹槽内散嵌有绕组线圈(3);
储能装置通过电力变换模块与直线电机的输出端相连,且电力变换模块的输出端还与用电设备连接,该用电设备与储能装置并联。
2.根据权利要求1所述的一种基于直线电机的便携式发电设备,其特征在于:所述的电力变换模块包括依次连接的整流装置、稳压装置和DC-DC变换装置;
所述的整流装置采用与绕组线圈(3)相连的全桥整流电路,该全桥整流电路包括二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3以及二极管VD4;所述二极管VD1与二极管VD4串联形成支路一,所述二极管VD3与二极管VD2串联形成支路二,支路一和支路二作用于交流电一个周期中的不同时期;
所述的稳压装置是电容C;
所述的DC-DC变换装置采用降压斩波电路,该降压斩波电路包括场效应管MOSFET1、二极管VD5、电感L以及电阻R;
其中,场效应管MOSFET1的集电极接二极管VD3的负极,场效应管MOSFET1的发射极接二极管VD5的负极以及电感L的一端,电感L的另一端通过电阻R接储能装置的正极,储能装置的负极接二极管VD5的正极以及二极管VD4的正极。
3.根据权利要求1所述的一种基于直线电机的便携式发电设备,其特征在于:所述的绕组线圈(3)是线径为0.1毫米的漆包铜线。
4.根据权利要求1所述的一种基于直线电机的便携式发电设备,其特征在于:所述的回弹装置(6)能够改变动子的运动方向,使其反向运动并且没有能量损耗;所述的回弹装置(6)是指弹簧;回弹装置(6)装设在最大外径对应于永磁体位置的壳体内部。
5.根据权利要求1所述的一种基于直线电机的便携式发电设备,其特征在于:初级结构的内表面和次级结构的外表面的摩擦系数为0.08。
6.根据权利要求1所述的一种基于直线电机的便携式发电设备,其特征在于:所述的初级结构(1)由硅钢片沿轴向叠压而成,次级结构(2)由圆环形的硅钢片沿轴向叠压而成。
7.根据权利要求1所述的一种基于直线电机的便携式发电设备,其特征在于:所述的永磁体(4)采用钕铁硼材料;
所述的永磁体(4)的数量为单个或者多个;当永磁体数量是多个时,永磁体(4)的充磁方式采用Halbach式。
8.根据权利要求1所述的一种基于直线电机的便携式发电设备,其特征在于:所述的直线电机采用圆筒形动磁直线电机。
9.根据权利要求1所述的一种基于直线电机的便携式发电设备,其特征在于:所述的凹槽为梨型槽。
10.根据权利要求1所述的一种基于直线电机的便携式发电设备,其特征在于:所述的储能装置是铅酸蓄电池。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150708 |
|
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |