CN106460804A - 用于产生电能的便携式设备 - Google Patents

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CN106460804A CN201580023288.7A CN201580023288A CN106460804A CN 106460804 A CN106460804 A CN 106460804A CN 201580023288 A CN201580023288 A CN 201580023288A CN 106460804 A CN106460804 A CN 106460804A
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马丁·菲利普·里迪福德
詹姆斯·威廉·里夫斯
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Abstract

提供一种用于产生电能的便携式设备，所述设备包括：电能产生装置，其响应于输入机械动作而发电；重力驱动的驱动器，其用于通过悬挂质量块在重力作用下的下降来将所述机械动作供应到所述电能产生装置；以及重激励机构，其适于使所述重力驱动的驱动器在所述质量块升高的同时进行操作。

Description

用于产生电能的便携式设备
技术领域
本发明涉及用于通过重力作用下的质量块下降来产生电能的便携式设备。
背景技术
可从Deciwatt有限公司(公司编号08589358)获得并在WO2011/045606和WO2014/195681中描述的GravityLightTM产品是便携式电能产生装置，其被设计为向不能接入电力网的客户提供照明。具体地说，GravityLightTM被设想为取代在发展中国家使用的有害煤油灯，其中这种设备的低成本对于其接受和了解至关重要。通过以下步骤操作该设备：由用户提起质量块(通过抓握质量块或拉动配重)，然后释放质量块，于是该质量块在其下降时为发电机提供动力，从而产生足够的电能来提供光源，或者为诸如无线电设备或充电电池等电子装置提供电力。然而，与其它照明和电力系统相比，该设备具有缺点，例如，它不提供连续的电力。当质量块被提起时，驱动皮带(链轮带)经由棘轮系统在相反方向上重新卷绕，从而导致发电机解耦并且暂时不产生电力。因此，用户可能需要在完全黑暗的环境下安全地(经过配重)提起重质量块。这仅在每二十分钟左右发生几秒钟，并且已被用户普遍接受作为这种新型自由运行照明的不可避免的特征
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于产生电能的便携式设备，所述设备包括：
电能产生装置，其响应于输入机械动作而发电；
重力驱动的驱动器，其用于通过悬挂质量块在重力作用下的下降来将所述机械动作供应到所述电能产生装置；以及
重激励机构，其适于使所述重力驱动的驱动器能够在所述质量块升高的同时进行操作。
因此，提供了一种设备，该设备通过如下方式克服了现有技术中的所述缺陷：输出连续动力，而不管质量块是在重力作用下下降还是被用户升高(相对于地面)。这种连续系统为设备的用户开创了不同的使用模式。当操作现有技术的GravityLightTM时，因为光/电力在重绕过程期间将停止输出，因此用户通常不会在质量块撞击地面之前提起质量块，并且这增加了重激励操作的频率。然而，本文描述的系统允许用户通过部分地提升质量块来定期“加满动力”，例如，每当用户使质量块移动时不会失去光/电力。这种方式还为无线电或充电电池等产生了更有用的连续电力。
本申请人已经设想了能够使该装置连续运行的各种方法。一种这样的方法是使用发电机对电池进行充电，然后可以在提升期间为灯供电。除了提供充电电池(以及适当的电路)相对昂贵之外，该方法还具有额外的缺点，即所产生的能量高达一半通过电池充电和放电循环而损失。实现连续运行的另一种可能方式是使用弹簧来存储足够量的能量以在提升期间(例如，约五秒)为灯提供电力。然而，这增加了系统的复杂性和成本。此外，它在设备中产生了额外的故障点，并且向用户施加压力以快速地提升质量块。另一种方法是将两个GravityLightTM装置一起使用，使得当一个装置的质量块被提升时，另一个装置仍在工作。然而，这具有一些缺点：除非所有附接设备(例如，外围作业灯或无线电)在GravityLightTM装置之一达到下降周期尽头时也被同样地接管，但这增加了成本，另外，需要额外电路来处理在两个GravityLightTM发电机的输出电连接时必须避免的回流电流，这降低了效率和/或增加了成本。改进方法于是在于：将单个发电机与两个单独的质量块和驱动器组合，以降低一些成本。然而，这种方法的缺点在于：需要安装点来双重支撑质量块，或者当仅一个重物驱动系统而另一个重物正在等待被提起或正被提起时，电力输出减少至仅一半。这还因允许两个质量块顺畅地经过彼此所需的间隙而增加了尺寸。
然而，在本文中这些问题因重激励机构的设置而被解决，该重激励机构适于使重力驱动的驱动器能够在质量块升高的同时进行操作。重激励机构可以使重力驱动的驱动器在重激励过程期间在质量块被提升的同时受到质量块的重力。例如，质量体可以悬挂在回路上，并通过缩短所述回路的一侧而升高。另外，即使质量块本身被提升，质量块也可以通过其重量经由所述回路的另一侧的持续行进来对重力驱动的驱动器持续施加机械动作/力。该重激励过程(或重激励动作)涉及将机械功输入到设备中，该设备将所述功转换成已被升高的质量块形式的一定量重力势能，该重力势能然后逐渐转换成驱动电能产生装置的动能。这具有这样的优点：与其它来源(例如，煤油或太阳能)不同，重力势能可以在一天中的所有时间自由地产生。因此，该装置可以以最小成本进行生产，然后运行而无需持续的成本。此外，与充电电池(例如)不同，装置的效率将不会随时间而显着恶化。
为了向电能产生装置供应机械动作，特别有利的是，其中，重力驱动的驱动器包括驱动机构和细长柔性部件，其中，在使用时，所述细长柔性部件与驱动机构和质量块联接，以便提供操作用的重力。细长柔性部件优选地为链轮带、链条、皮带或绳。合适的绳的实例是串珠帘线。驱动机构可以包括例如链轮、齿轮、齿形轮、无齿轮或毂盘。细长柔性部件可以是闭合环形回路。为了实现装置的重激励或“重加载”，重力驱动器的细长柔性部件还优选地与重激励机构联接。细长柔性部件有利地在重激励过程期间保持质量块与重力驱动机构之间的绷紧。这允许来自质量块重量的驱动在质量块被提升的同时被传递到发电装置。还优选地，细长柔性部件在重激励过程期间保持质量块与重激励机构之间的绷紧。
提供了这样的进一步益处：其中，重激励机构和驱动机构中的每一者在沿着细长柔性部件的不同位置处同时串联联接。在这种情况下，设备优选地构造为：在重激励过程期间，所述不同位置之间的细长柔性部件的长度被改变。还优选地，在重激励过程期间，用户抓握细长柔性部件的所述长度的一部分且对细长柔性部件施加力，以便改变所述长度并提起质量块。
有利的是，细长柔性部件形成第一回路和第二回路，所述质量块仅悬挂在第一回路上，其中，通过拉动第二回路从而增加所述第二回路的长度并减小第一回路的长度来提升所述质量块。第一回路和第二回路形成相同细长柔性部件的相应悬挂部分。这相对于现有技术具有特别的优点：质量块可以提升到比用户自然可达到的高度高的高度，因此质量块可以下降更长时间，从而在需要重激励系统之前允许在更长持续时间内产生电力。此外，如果用户向下拉动细长柔性部件来提升质量块，而不是通过抓握和提升质量块本身来直接提升质量块，则发生不拉紧的机会较少。
重激励机构优选地设置有重激励部件。该重激励部件可以是细长柔性部件的形式，例如链轮带、链条、皮带或绳，并且通常设置为环形回路。与重力驱动的驱动器的细长柔性部件不同，重激励机构的细长柔性部件的可被拉动以提升质量块的长度通常始终保持恒定。这使用户能够抓握重激励部件来旋转重激励机构从而提升质量块，而与质量块下降的距离无关。在一些实施方式中，重激励部件本身还可以包括踏板系统或踏板。此外，重激励部件可以设置为重绕部件。另外作为选择，重激励机构可以包括单向棘轮和/或手摇曲柄。
提供了这样的明显益处：其中，重激励机构布置成提供就由下降质量块提供的力而言的机械优点，使得提升质量块所需的力小于由质量块产生的重力。这使用户能够更容易地提起质量块(使老年人、儿童和残疾人受益)，并且使用户能够潜在提起比它们通过抓握质量块本身能够提升的重量更重的质量块。
目前，如果使用现有技术的GravityLightTM装置，则用户通常更喜欢抓握和提起质量块本身而不是拉动配重。然而，通过提供上述布置，可以有利地减小提升质量块所需的力(例如，通过传动装置)。一旦建立了舒适的拉力，通过改变例如提升系统中的传动装置，尽管会更慢却可以提升更重的质量块。为了允许系统仅在一个方向上旋转，重激励机构可以优选地包括棘爪链轮。
作为选择，或除此之外，重激励机构优选地包括扭簧离合器，所述扭簧离合器包括：重绕链轮，其具有与其同轴的中央心轴；以及螺旋弹簧，其卷绕在心轴上。螺旋弹簧构造为当沿第一方向将量值在扭矩预定操作范围(该范围包括发电时的“正常”使用扭矩)内的扭矩施加在重绕链轮上时对心轴施加夹持力，所述夹持力足以防止重绕链轮沿所述第一方向的旋转。在重激励过程期间，当沿与第一方向相反的第二方向将扭矩施加在重绕链轮上时，螺旋弹簧进一步构造为与心轴分离，以便允许重绕链轮沿第二方向的旋转。这具有与棘轮不同的优点：当旋转时，扭簧离合器不产生喀哒声。
在现有技术GravityLightTM的情况下，系统直接受到用户能够或愿意提升的负载的全部力。可以设想到，这种受用户限制的重量可能大大超过系统的额定最大值，从而导致因剥离的齿轮齿而造成的系统故障。本文提供了用于保护设备免受这种损坏的各种解决方案，这些方案可以根据需要独立使用或组合使用。下面描述的这种过载保护机构通常根据悬挂质量块施加在齿轮上的扭矩进行操作，而不是按照WO2014/195681中的在设备悬挂点处的总向下力进行操作。如将要讨论的那样，这对于本文所述的连续电力形成具有特定的益处。
因此，提供了这样的优点：其中，根据沿第一方向施加在重绕链轮上的扭矩位于所述预定操作范围内且超过第一卷绕扭矩阈值的第一卷绕过载条件，螺旋弹簧的第一部分构造为位移预定量。在这种情况下，扭簧离合器还包括第一开关形式的卷绕扭矩传感器。当满足第一卷绕过载条件时，所述第一开关响应于螺旋弹簧的第一部分的所述位移而可操作地提供状态的电变化。优选地，卷绕扭矩传感器还包括报警装置(例如，LED或可听到的警报)，该报警装置构造为当满足第一卷绕过载条件时响应于由第一开关提供的状态的电变化来提示用户。
还优选地，扭簧离合器还包括卷绕过载保护器，该卷绕过载保护器可操作地构造为防止夹持力超过预定量值，夹持力的所述预定量值与根据第二卷绕过载条件的扭矩的所述操作范围的上限对应。这可操作地使得：当沿第一方向施加到重绕链轮上的扭矩超过扭矩的操作范围的上限时，允许心轴相对于螺旋弹簧旋转，从而引起质量块的受控下降。为了实现这一点，卷绕过载保护器优选地包括止挡件和来自螺旋弹簧的突起，该突起适于因心轴的旋转(其由已知量的弹性弹簧偏转提供)而撞击止挡件，从而止挡件防止进一步增大摩擦夹持，以便防止夹持力超过预定量值。具体而言，这能够保护设备免受因使用过重质量块(这包括儿童使用该设备作为秋千的影响)而造成的损坏，并且提供以受控方式将过重质量块下降到地面的安全优点。
作为选择，或者除了上面提供的解决方案之外，还可以实现这样的进一步益处：其中，所述设备还包括滑动离合器，该滑动离合器适于防止质量块在重激励机构受到超过预定阈值的提升力时升高。在这样做时，滑动离合器可以保护重力驱动的驱动器免受悬挂质量块的重量。这也消除了由于用户施加太多质量块以获得更大的电力输出而导致的潜在过载危险。质量块的重量通常在其已被提升时不会改变，因此通过将过载保护机构以滑动离合器的形式应用于重激励机构，例如通过响应于由用户施加的力而提供可听到的喀哒声，可以根据提升质量块所需(以及应用)的力是否超过预定阈值来获得重量是否超过安全最大值的指示。
提供了用于减少因过载而对系统造成损坏的可能性的另一种有利布置，其中，该设备构造为使得重力驱动的驱动器和电能产生装置可以围绕共同轴线相对于彼此至少部分地旋转，在这种情况下，该设备还包括扭矩感测机构。所述扭矩感测机构包括柔性部件，该柔性部件构造为阻止重力驱动的驱动器与电能产生装置之间的相对旋转，其中，如果施加在重力驱动的驱动器上的扭矩低于第一扭矩阈值，则柔性部件防止任何所述旋转，并且其中，在施加在重力驱动的驱动器上的扭矩超过第一扭矩阈值的第一扭矩过载条件下，由柔性部件提供的阻力被部分地克服，以便允许重力驱动的驱动器与电能产生装置之间的部分旋转。扭矩感测机构包括第二开关，该第二开关在满足第一扭矩过载条件时响应于所述部分旋转而提供状态的电变化。除了卷绕扭矩传感器之外或作为卷绕扭矩传感器的替代，可以设置该扭矩感测机构。
当悬挂质量块的重量略微超过系统的预定操作范围时(例如，在预定最大操作扭矩的100％-110％之间)，可以满足第一扭矩过载条件和/或第一卷绕过载条件。第一扭矩阈值和第一卷绕扭矩阈值通常是最大可靠操作扭矩的函数，并且可以包括考虑了产品差异、不准确性等的安全系数。这些阈值可以是设计者满意系统运行并还实现了所需使用寿命的可接受的百分比值。这必须是这种情况，因为必须接受的是，系统可以被刚好在第一扭矩/卷绕阈值(或者实际上等于第一扭矩/卷绕阈值)之下的质量块驱动，而不致动相应的开关。
还优选地，扭矩感测机构还包括报警装置，该报警装置构造为当满足第一扭矩过载条件时响应于由第二开关提供的状态的电变化来提示用户。因此，开关和报警装置可以在设备继续发电的同时且在对系统造成过度磨损(这可能最终导致系统故障)之前警告用户该过载情况。在设置有卷绕扭矩传感器和扭矩感测机构这两者的情况下，报警装置例如可以仅在第一开关和第二开关都被致动时被触发。
该设备可以有利地构造为使得重力驱动的驱动器和电能产生装置能够围绕共同轴线相对于彼此旋转，该设备还包括扭矩过载保护机构；其中，所述扭矩过载保护机构构造为仅当重力驱动的驱动器受到超过根据第二扭矩过载条件的第二扭矩阈值的扭矩时允许重力驱动的驱动器与电能产生装置之间的完全旋转。
增加悬挂质量块的重量能够增加对电能产生装置的旋转的机械阻力。该阻力作用在重力驱动的驱动器上，并且例如由惯性、电能产生装置所感应的反电动势、空气阻力和其它高速相关的损失原因产生，从而使对旋转的阻力随着速度增加而增加。该阻力可能例如通过使齿轮齿剥离或破坏细长柔性部件而对重力驱动的驱动器造成损坏。这两种情况都导致功能故障和重量的突然不受控制的下降，这可能引起伤害并且肯定会引起警报。因此，扭矩过载保护机构优选地构造为在第二扭矩过载条件期间使重力驱动的驱动器与电能产生装置分离，以便允许质量块下降而不向电能产生装置提供输入机械动作。
与第二扭矩阈值对应的扭矩优选地超过与第一扭矩阈值对应的扭矩。假定突然故障的结果比功能随时间过度劣化更差，相对于安全操作限值，第一扭矩阈值通常可以比第二扭矩阈值更接近已知的可靠操作限值。在这种特殊情况下，对于家庭环境中的悬挂质量块而言，防止突然故障是主要关注的问题。因此，例如第二扭矩阈值可以选择为已知瞬时故障值的大约25％。所需的安全系数越大，产品成本的增加越大，因为需要更强和/或额外的材料。第一扭矩阈值可以高达“额定”或“设计”扭矩的95％，但是只有当确定或感测到负载的精度高时才是这样。假设可以避免不利的质量控制要求，则例如在95％的情况下，生产成本降低接近最大化。因此，有利的是，在所有情况下，具有施加到系统的负载的最准确感测(因为可以经济地获得)，以便减少对工程冗余的需求并且减少产品故障的情况，一般来说，减少这两者对经济性具有积极的影响。因此，通过最简单和最经济的手段实现准确和可靠的感测对于设计是非常有益的。
在有利的布置中，所述重力驱动的驱动器包括内齿轮、多个行星齿轮和安装板，其中，所述行星齿轮安装在安装板上并构造为与内齿轮啮合；其中，所述电能产生装置包括齿轮系，该齿轮系具有位于齿轮系的上游端处的太阳轮和位于齿轮系的下游端处的发电机，其中，太阳轮构造为与行星齿轮啮合。这能够实现高增速比，使得悬挂质量块可以缓慢下降并提供有用的电力输出。还优选地，在需要重力驱动的驱动器与电能产生装置之间的旋转的实例中，通过将安装板构造为围绕太阳轮旋转来实现该旋转。在利用柔性部件的此类实例中，通常柔性部件构造为响应于由安装在安装板上的行星齿轮施加在安装板上的扭矩而提供阻力，以便阻止安装板与电能产生装置之间的相对旋转；其中，由柔性部件提供的阻力是这样的：低于施加在安装板上的第一扭矩阈值，柔性部件与安装板接合，以便限制安装板相对于电能产生装置的旋转；高于第一扭矩阈值但低于施加在安装板上的第二扭矩阈值，柔性部件被安装板偏转，以便允许安装板关于电能产生装置的进一步旋转；以及高于第二扭矩阈值，柔性部件脱离接合，以便允许安装板关于电能产生装置的自由旋转。
使用具有如上所述的内齿轮、行星齿轮和安装板的重力驱动的驱动器提供了用于提供有效的重激励功能的意想不到的有利布置。在这种情况下，内齿轮构造为当重力驱动的驱动器被悬挂质量块驱动时沿第一方向旋转；重激励机构构造为在重激励过程期间响应于由用户提供的机械输入而防止安装板沿第一方向的旋转且允许安装板沿与第一方向相反的第二方向的旋转；并且安装板沿第二方向的所述旋转使内齿轮沿第二方向旋转，从而提升质量块。这可以在实践中以多种方式实现，例如通过将安装板联接到扭簧离合器或棘轮上以及重激励部件上。这种布置在降低成本和提高设备的总体效率和产品寿命方面具有优点。
系统存在另一个危险：在提升质量块之后施加额外的重量。可以通过将额外的重物钩在主质量块上来增加额外的质量块，但是最常见的是，已知这种“使用中”的额外重量由幼儿在未监督的情况下玩耍GravityLightTM时施加：例如使用负载质量块作为秋千座位。如上所述，环状细长柔性部件具有固有的优点：其将施加到重力驱动的驱动器上的任何负载划分成几部分。结果，在设备作为秋千被玩耍的情况下，施加到齿轮齿上的负载是提升重量的一半加上儿童重量的一半(在儿童座跨在重物上的情况下)。如果要提升的最大规定负载质量近似等于儿童的质量(例如，大约25kg至30kg)，则系统上的负载因儿童坐在袋上而暂时加倍。于是，可以将系统规定为在安全齿轮磨损负载极限内工作，其中破断力极限设定为超过负载质量加上小孩子质量的一半，即超过设计负载的两倍。如WO2014/195681中所描述的那样，这种布置可以完全消除对过载感测开关、系统和电路的需求。这可以降低成本、复杂性并消除几个潜在故障点。一种替代的、更复杂的重绕方法是使用重绕拉绳。由于其与更符合人体工程学且更舒适的手柄(例如，“T”形手柄)的兼容性，因此例如当采用较重的重物时，可以用上述方式替换这种布置以使得能够施加更大的拉力。
电能产生装置优选地包括发电机，该发电机选自包括交流发电机、直流电动机或直流发电机的组。为了长时间输出电能，电能产生装置优选地包括用于将来自重力驱动的驱动器的相对低速输入转换成电能产生装置处的相对高速输出的齿轮系。这些齿轮可以是带齿的、平滑的或这两者的组合。例如，可以在与发电机驱动轴的锥形部件联接的最下游端部上设置平滑无齿齿轮，以通过改变齿轮的周部与锥形部件之间的接触点来实现可调节的电力输出。作为选择，橡胶带可以被联接到最下游齿轮和电动机轴滑轮上，从而以更简单、更可靠的联接提供固定(不可调节)传动比。然后，可以在上游设置可调节的传动装置。无齿齿轮具有额外的优点：齿轮相互作用产生相对低的噪声。
电能产生装置和重力驱动的驱动器被优选地设置作为一个单元，重力驱动的驱动器包括柔性链轮带或类似部件，在使用时，柔性链轮带的一侧端部与质量块联接，以便提供设备操作用的力。
根据本发明的第二方面，提供一种成套工具，包括：
根据本发明第一方面所述的便携式设备；
细长柔性部件，其用于形成重力驱动的驱动器的一部分；以及
重物袋，其附接在细长柔性部件上。
附图说明
现在描述根据本发明的用于产生电能的便携式设备的一些实例，其中：
图1是设备的第一实例的图示；
图2是设备的第二实例的图示；
图3是设备的第三实例的图示；
图4是现有技术设备使用时的图示；
图5是设备实例使用时的图示；
图6是根据本发明的设备的两个进一步实例使用时的图示；
图7是正常使用期间的示例性齿轮系统的前视图的图示；
图8是示例性齿轮系统的侧视图的图示；
图9是通过A-A平面截取的示例性齿轮系统的后横截面视图的图示；
图10是通过B-B平面截取的示例性齿轮系统的前横截面视图的图示；
图11是过载条件期间的齿轮系统的实例的前视图的图示；
图12是包括扭簧离合器的重激励机构的实例的图示；
图13是重激励过程期间的包括扭簧离合器的重激励机构的实例的图示；
图14是在低于第一卷绕扭矩阈值的情况下正常使用期间的包括扭簧离合器的重激励机构的实例的图示；以及
图15是第一卷绕过载条件期间的包括扭簧离合器的重激励机构的实例的图示；
图16是第二卷绕过载条件期间的包括扭簧离合器的重激励机构的实例的图示；以及
图17是包括重激励机构(其构造为允许安装板在重激励过程期间旋转)的设备的实例的图示。
具体实施方式
图1是设备的第一实例的示意图。该设备采取以三部分成套工具形式提供的系统10的形式。该系统具有壳体1、质量块7和细长柔性部件。细长柔性部件穿过壳体(发电机单元)1内的路径并延伸到壳体1的外部，以露出重物链9和拉链8(或重激励部件)。因此，重物链9和拉链8是由细长柔性部件形成的相同闭合环形回路的两个不同悬挂部分(或回路)。质量块7仅与重物链9联接，以提供设备操作用(即，用于发电)的重力。重物链9和拉链8可以被分别视为第一回路(loop，环部)和第二回路。第二回路8的一侧被用户向下拉动，从而使第二回路8变长，并且同时使第一回路9的长度对应地缩短，以便提起质量块7。细长柔性部件可以例如是由坚固耐用的塑料材料(例如，聚丙烯)制成的链轮带，该链轮带设置有用于与壳体1内的链轮(将在下文描述)接合的多个等间距间隔开的矩形孔或串珠帘线。
壳体1在二维上采用大致椭圆形的形式，并且由坚固塑料材料制成的两个部分(通常形成壳体1的前半部和后半部，图1中示出了前半部)形成。在壳体的前半部的前表面上设置有电力控制盘3，电力控制盘3可以由用户手动地旋转，以便控制电力输出。高亮度LED(发光二极管)6在壳体材料的模制区域(未示出)中大致位于中央且位于电力控制盘3下方，以便将来自LED 6的光以宽锥形直接向外并且向下远离壳体1引导。作为选择，LED 6可以定向成将发射的光引导到壳体上，使得来自壳体的反射光以减少的眩光照亮房间。在LED 6下方设置有ON/OFF开关2。在前表面的下部外周附近，在壳体1的竖直中心线两侧定位有两个电源端子4，从而提供用于向用户所选择的装置供应直流电流的正负极连接器。作为选择，该接口可以构造为提供用于多种连接或同时连接的任意数量的插座，这些插座在功能上类似或者通过适应特定类型的外围设备的需求而差异化，并且由各种类型的连接器提供，从而提供简单的直接连接或者构造为在插入适当的插头时启动系统中的状态改变。例如，特定插座可以经由包括额外中间电子部件的路径提供与发电机的连接，或者简单地提供在给定时间与存在于整个系统中的机载LED和/或其它外围设备串联或并联的连接的选择。作为选择，可以从任何通用电源连接器提供交流输出。
当没有外围设备连接到端子4时，由设备产生的电力被提供给LED 6。LED 6中的电力消耗可以由用户通过对控制盘3(其继而改变设置在壳体1内的齿轮13)的适当旋转定位来控制。例如，在一个方向上完全地旋转控制盘3能够使电力输出最大化，从而使质量块7以其最大运行速率下降。尽管由于更高的能量消耗而减少了操作时间，但这产生了来自LED 6的最高水平的照明(用于照明住宅或其他结构，以使居民能够进行日常作业)。可以通过在相反方向上旋转控制盘3来实现更低水平的照明，以实现更长的照明持续时间，例如“夜间照明灯”可能需要这样的更长照明持续时间。在装置或其它电路与端子4连接的情况下，电力经由端子4被提供给该装置或电路。简单的开关可用于向端子4和LED中的一者或两者提供电力，或者可以在插头插入插座时自动致动开关动作，而不是通过用户对外部可用的开关的致动来手动控制。
一般来说，该设备在轻质(例如，小于20千克)的意义上是便携的，并且可以容易地作为单元被用户用手搬运。因此，该设备可以被用户安装到升高位置和从升高位置拆下，而不需要机械辅助来提升或以其它方式移动该设备。例如，在该实例中，该设备被设计成从孔眼5进行悬挂，该孔眼允许使用细绳或系带将设备牢固地放置在合适的钩上或绑在梁或其它高点上。质量块7包括钩17(如图2和图3所示)和结实的袋，该袋在一端开口，并且具有在开口端附近居中定位的孔眼，以用于通过钩17附接到重物链9上。袋在使用时被装满容易获得的材料，例如土壤、沙子或石头。袋的体积被设计成使得当装满时袋具有大约12kg的质量(例如，正或负百分之十)。质量块7与直接悬挂在孔眼5下方的链条9的端部联接。钩17构造成与重物链16接合，以将质量块7的重量施加到链条9上。
拉链8的功能是允许用户在重激励过程期间通过向下拉动链条8(而不是通过抓握并提升质量块本身，在该构造中，假定没有任何配重用于将细长柔性部件拉回穿过该系统，则将不提供重激励结果)来提升质量块7。在这个过程中，拉链8被拉动穿过壳体1，并且这样做时增加了长度，同时使重物链9减小了相同的长度(因为它们由相同的闭合回路形成)。与现有技术不同，在重激励过程期间，质量块不与电能产生装置分离(重物链9在驱动机构12与质量块7之间保持绷紧)。在质量块7升高和下降时，质量块7向电能产生装置施加大致相同的力，因此设备10将自始至终持续输出连续的电力。实际上，在提升期间，出现力的较小增加，即等于质量块加上被施加以使质量块加速的额外力，该变化量对于用户而言并不明显，但输出功率或光亮度显著变化。
图2是未示出壳体1的设备的第二实例的示意图。这里，由具有等间距间隔开的塑料珠的环形塑料绳形成的细长柔性部件与设置在壳体内的两个链轮(重绕链轮11和驱动机构12)接合。如在前述实例中那样，细长柔性部件形成悬挂在设备上的两个回路或“链条”-重物链16和拉链18。重绕链轮11和驱动机构12在沿着细长柔性部件的不同位置处同时串联联接。此外，质量块17(这里示出为钩，没有附接重物袋)仅悬挂在重物链16上。细长柔性部件不固定在质量块17上，而是构造成在使用时移动穿过钩，例如通过旋转或缠绕在设置于钩上的轮或链轮上。
驱动机构12和重物链16共同形成重力驱动的驱动器，以从悬挂的质量块17的下降向电能产生装置提供机械动作。如向下箭头所示，质量块17由于其重量而对重物链16施加向下的力。链条16的驱动部分16b将该重物与驱动机构12联接。该力使驱动机构12在如图所示的顺时针方向上旋转。然后，电能产生装置(其由齿轮系统13和发电机14形成)将该旋转动能转换成电能，然后将电能提供给LED 6和电源端子4。发电机可以是交流发电机、直流电动机或直流发电机。
齿轮系统13(仅示意性地示出)可以包括用于将来自驱动机构12的相对低速输入转换成发电机14处的相对高速输出的任何平滑齿轮(包括滑轮)或带齿齿轮系统。例如，链轮旋转与发电机旋转的比率可以是大约1:750(例如，正或负百分之十)。然而，根据所使用的重量、所需下降速率和链轮半径、所选择的发电机的速度常数和所需操作电压，该数字可以被相当大地缩放。如前所述，齿轮系统13可以响应于用户控制电力控制盘3而被调节，以便调制供应至发电机14的动力。存在对壳体1内的机构(特别是齿轮系13)的设计限制。例如，理想的是，齿轮系静静地运行，没有高磨损率并且成本低。成本是生产一种世界上不发达地区(例如，亚洲和非洲的各区域)的人们(通常以非常低的收入生存)可以使用的系统的关键因素。
重绕链轮11构造成因棘爪15与设置在重绕链轮11的平坦圆形外表面上的棘轮之间的相互作用而仅在一个方向(这里为顺时针方向)上旋转。因此，细长柔性部件始终在相同方向上移动穿过该系统，因为缠绕或重绕不会反转其方向。链轮11和棘爪15形成重激励机构(为棘爪链轮的形式)，从而使重力驱动的驱动器能够工作，同时使质量块17升高。如前所述，通过用户抓握并将拉链18向下拉动特定长度来提升质量块17，以便卷绕与棘爪15相抵靠的重绕链轮11。这种动作增加了拉链18的回路长度并且对应地减小了重物链16的回路长度(通过缩回在质量块17与重绕链轮11之间延伸的重物链16的负载部分16a)，从而提起质量块17。在质量块被提起且链条18被松开之后，质量块将在重物链16上缓慢下降，从而使重物链16随着拉链18变短而变长。因此，有利的是，确保细长柔性部件足够长，使得即使质量块17接触地面，拉链18也始终露出(至少在一定程度上是露出的)。
在其最简单的方式中，如上所述，该装置实现了优于现有技术的若干优点。只要不允许质量块17撞击地面，设备将提供连续的电力，这样的话，在用户开始重绕时立即产生电力，而不是在重绕完成时才开始产生电力。由于滑轮装置提供的机械优点，所以用户现在只需要提升重物所需力的一半的力来拉动链条18。此外，棘爪15仅加载有重物一半的力，从而减小了传动装置上的应变。
对上述方案的进一步改进是具有大于2:1的机械优点的可能性，从而使得能够使用更重的质量块。如在提升系统中，添加更多的回路和滑轮可以实现这点。然而，在图3所示的第三实例中，通过将第三“承载”链轮31固定到棘爪重绕链轮21的一侧来实现这点，使得两个链轮21、31围绕共同的旋转轴线旋转。承载链轮31具有单独的环形细长部件29，环形细长部件29在这里称为“提升链”29(或重激励部件)，并且围绕链轮31联接/与链轮31啮合。如在前述实例中那样，另一细长部件穿过驱动机构22与重绕链轮21之间的路径，以便形成重物链26和额外链28(等同于前述拉链18)。承载链轮31具有比重绕链轮21大的直径，使得如果用户向下拉动提升链29而不是额外链28来提升质量块27，则提供机械优点。提升链29是单独的闭合环形回路。该链条29的固定部分始终从壳体1露出，以便用户通过向下拉动链条29来提升重物17。这对于用户来说比变化的长度(如同前述实例)更为方便。提升链29可以通过颜色、形状、材料、间距等与另一细长柔性部件进行区分，以提高可见度、增加手中的舒适度，并且促进使用的方便性。
如果并非永久地附接到重绕链轮21上的承载链轮31经由若干“滑动离合器”机构中的任何一个与重绕链轮21联接，则可以获得另外的益处。利用这种装置，当待提升的负载质量块27比预定负载上限重时，提升链29可以是加载受限的并且设定为“滑动”。当太大的力被施加时，即当待提升的质量块太重时，承载链轮“离合器”可以通过发出响亮可听到的“喀哒声”指示过载来给予用户即时反馈。可以采用这种过载离合器机构来设定上限并且允许质量块27在过载的情况下快速下落，但对于超过离合器的最大值的质量块27而言，这些机构具有以下缺点：它们在被克服后容易失控，从而使悬挂的负载质量块27突然下降而没有显著的减速。虽然这是一种保护机构和重物链免受过载造成的损坏的非常有效的方法，并且在某些情况下可能是期望的，但突然下降的负载质量块可能是一种危险并且可能是令人担忧的。通过在用户的输入力与待提升的质量块27之间有效地采用离合器，不会发生这种失控结果。当在质量块27被提起之前向用户提供来自系统的可听见的反馈(负载过重)，用户将停止提升，并且即使他们继续尝试提升，他们的努力也不能从地面提起质量块。然后，用户需要将负载调整到限制范围内，并恢复提升。当通过重激励部件29提升质量块27时，防止用户施加过高的负载，并且不可能从地面上提起过大的质量块27。
有用的额外特征是能够暂停重物的下降并关闭灯，使得灯可以在稍后的时间被重新打开，而不浪费用于对设备加载的努力，并且不需要输入进一步的努力来再次使用它。该新装置能够直接实现这点。如图3所示，楔形形式的机械开关30可以定位成使得当接合时机械开关30防止驱动机构22(或任何其它齿轮)旋转。机械开关30还与ON/OFF开关2机械联接，以使用户能够从壳体1的外部暂停该设备。通过接合开关30，从齿轮箱23移除负载，使得系统能够被无限期地、安全地保持在该静止状态下，而没有由发电机24产生的电力。
然而，重物的力可能容易卡住机械开关30，可能需要相当大的力来使其脱离接合。这可以通过精心设计来克服，从而获得大的机械优点，使其易于使用。然而，如果用户拉动提升链29(或者拉链或额外链28)，则重绕链轮21和承载链轮31的旋转可以实现与楔形件的接合并且将其翻转回去，从而释放驱动机构22并重新打开灯。无论质量块27是在地面上还是已经被锁定，直观动作是拉动链条29以产生光。作为选择，可以使用弹簧推-推机构，其将开关30闩锁就位，直到下一次推动。该锁定特征件30开创了设备的更多用途，例如需要即时光的棚屋灯或卫生间灯。好的做法是下一次重绕它。
图4示出了现有技术GravityLightTM设备的操作。质量块和配重悬挂在穿过该设备(其被示出位于每个图像的顶部)的带上。最初，在其已加载状态下(如最左边的图像所示)，质量块位于高处，并且在重力下缓慢下降，从而使设备产生电，电可以被转换为光。在质量块到达地面后(或者如果带的长度已经用尽)，质量块将停止下降，因此设备不再产生电或光。然后，用户必须在黑暗中直接通过抓握质量块或通过拉动配重来提升质量块，为了对系统进行加载，设备不产生电力(如中央图像所示)。然后，可以再次释放质量块，以用于新回合的发电(如最右边的图像所示)。为与图4进行比较，图5示出了本发明的实例在操作时的等效阶段。尽管在质量块已经到达地面的情况下设备不产生电力，但是中央图像示出：自用户开始从地面提升质量块的第一时刻起将产生电力(并且可以以光的形式输出)(这与现有技术不同)，并且如果用户在下降周期期间的任何点处给予更多的加载输入，则电力和/或光将不被中断(这与现有技术不同)。
图6示出了设备使用时的两个进一步的实例。在左手侧，示出了本发明的实例如何允许发电机的连续运行以及有利地允许使用更重的质量块(通过两个部件之间共同分担负载并且通过设置适于提供机械优点的重激励机构，使得提升该质量块所需的力小于该质量块的重量的一半)。在图6的右手侧，示出了本发明的另一优点。在这种情况下，设置回路形式的长重物链和长重激励部件，以使得质量块能够被提升得更高，超过用户的正常竖直摸高。该回路优选地是闭合的(例如，提升链29)，以便保持固定长度，而不管质量块的高度如何。图6所示的两个实例允许设备运行更长的时间段而不需要重激励，或者允许在相同周期内产生更高水平的电力。
图7示出了包括与重力驱动的驱动器相关联的齿轮以及电能产生装置的齿轮系的齿轮系统的前视图。图8中示出了相应的侧视图。图7中的弯曲箭头示出了在正常使用期间齿轮的旋转方向，其中，由受控的、稳定下降的质量块7提供的输入机械动作被转换为电能。如同前述实例，质量块7与链轮12联接。链轮12固定到重力驱动的驱动器的内齿圈40上，使得扭矩可以从链轮12传递到内齿圈40上，从而使内齿圈40在图7所示的顺时针方向上旋转。内齿圈40被构造为驱动三个行星齿轮42a、42b、42c，三个行星齿轮42a、42b、42c也形成重力驱动的驱动器的一部分，并且与电能产生装置的中心太阳轮41啮合。图9和图10示出了行星齿轮42a-42c、内齿圈40和太阳轮41之间的啮合。图9示出了沿着图8的A-A平面(通过内齿圈40)的齿轮系统的后横截面视图，而图10示出了通过B-B平面(通过行星齿轮)的相应正视图。行星齿轮42a-42c和太阳轮41均具有位于各自前表面上的较大带齿圆周和位于各自后表面上的较小带齿圆周。该构造也被称为包括“齿轮”和“小齿轮”的“复合齿轮”，其中，表面上的大圆周形成齿轮，而背面上的较小圆周形成小齿轮。设置在内齿圈40内侧的齿被构造为与设置在行星齿轮42a-42c的后表面上的齿啮合，而行星齿轮42a-42c的前表面的齿与太阳轮41的后表面上的齿啮合，以便在每对齿轮之间实现高增速相互作用。行星齿轮42a-42c均可旋转地安装在安装板(或“行星架”)43的各自轴线上，安装板本身可旋转地安装到中心轴50，并且也形成重力驱动的驱动器的一部分。太阳轮41可旋转地安装到形成壳体1的一部分的中心轴50。
螺旋弹簧45形式的柔性(或“偏置”)部件集成在安装板43内，使得仅线圈45的环状末端径向突出到安装板43的外部，并且与形成壳体1的一部分的止动柱44接合。作为选择，弹簧45可以固定到壳体并且构造为压靠安装板43的突出特征件。取决于可用的空间，扭转弹簧或压缩弹簧也非常适合该应用。弹簧45可以被预加载或安装在其自由位置，因为两种方法提供相同的功能结果，但具有取决于特定实施例的稍微改变的参数。当安装在其自由位置时，可以根据输入到驱动链轮12的一侧的单位力预测和期望安装板43的一定量旋转。作为选择，弹簧45可以被预加载张力，该张力足以提供与抵消对应于悬挂质量块7的预定安全操作重量的扭矩所需的力相等的偏置力，以便当施加到重力驱动器的扭矩不超过第一扭矩阈值(等于安全操作重量)时，在正常使用期间将安装板43保持为相对于壳体固定(旋转地)。弹簧45构造为当扭矩超过该阈值时偏转，以允许安装板43围绕中心轴50部分地或完全地旋转(取决于扭矩的量值)。在正常使用期间(即，当安装板43是静止的，且在扭矩感测弹簧45被克服从而允许安装板自由旋转之前)，被供应至行星齿轮42a-42c的扭矩使它们绕它们的轴线旋转，并进一步使太阳轮41在逆时针方向上转动。该设备通常可以构造为由直径为20毫米的链轮12安全地保持高达12千克的质量块，因此在这种情况下，第一扭矩阈值将为0.59Nm。弹簧45和止动柱44形成扭矩过载保护机构(将在下文描述)的一部分，该机构是可选的。在没有设置这种扭矩过载保护机构的替代实施例中，作为替代，安装板43可以被固定到壳体1并且防止旋转。
倒数第二个齿轮47和末端齿轮48设置在齿轮系统的下游端。与行星齿轮42a-42c和太阳轮41类似，倒数第二个齿轮47和末端齿轮48也均具有大直径的前表面和较小直径的相应后表面。倒数第二个齿轮47的带齿后表面与太阳轮41的带齿前表面啮合，而倒数第二个齿轮47的带齿前表面与末端齿轮48的带齿后表面啮合。虽然齿轮齿能够确保可靠的连接和扭矩的传递，但不是严格地需要为每个齿轮提供齿轮齿，因为具有通过摩擦接触传递扭矩的平滑圆周的无齿齿轮可以替代地用于在一些情况下促进这种相互作用。例如，末端齿轮48包括围绕其前表面的平滑外周(设置为图8所示的凹槽)，该外周经由使用带(其位于凹槽中)的带轮装置与发电机49的轴联接。有利的是，在齿轮传动装置的快速端使用带进行这种末端联接，因为其实现了由旋转产生的噪声的减小(与齿接触相比)，并且成本非常低并且可靠。在一些情况下，发电机轴可以被设置为锥形部件，以便使用户能够例如通过扭转壳体外侧上的旋钮来改变最终的增速相互作用，从而调节末端齿轮与锥形部件之间的接触点，由此改变发电机的电力输出。然而，在这种情况下，增速比是固定的，并且沿着齿轮传动装置(从内齿圈40到发电机49)的所得传动比总计为大约1:850。然而，该值可以宽泛地变化，以适应电动机的速度常数(Kv)和所需的输出电压(电压与转速成正比，并且每个发电机具有其唯一的电压/转速比)。优选的是，使用具有高电压/转速比的发电机，因为这减小了所需传动比的大小，而这又减少了齿轮级的数量(每个齿轮级具有相关联的效率损失)和/或齿轮的直径。这产生了更节能的装置并且可以提供更长的使用寿命。
在该实例中，设备构造为安全地悬挂高达约12千克的质量块7。如果施加到系统的重物7超过该限值，则存在在所产生的过大扭矩下可能对系统(特别是对齿轮系的慢速、高扭矩端)或重力驱动的驱动器造成损坏的危险(例如，从齿轮剥离齿轮齿)。因此，有利的是，提供过载保护机构，该过载保护机构可以警告用户施加到系统的重量太重，并且可以进一步防止齿轮系在所施加的扭矩超过预定阈值的情况下损坏。申请人的现有技术WO2014/195681试图在施加到设备的重量(如在壳体的悬挂点或孔眼处经历的重量)超过预定阈值的情况下通过调节发电机上的负载来提供这一点。虽然该方法适用于现有技术版本的GravityLightTM，但是其与本文所述的连续版本不太兼容，因为质量块7不再由用户抓握和提起质量块7而提升，而是现在替代地由用户向下拉动“拉链8、18”或“提升链29”来提升。取决于用户所施加的向下力(其是未知的)，即使质量块7在安全阈值内，这也可能导致现有技术的过载保护机构触发(因为该触发由负载重量加上用户所施加的拉力设定)。现在将描述新的和改进的过载保护机构，通过根据由悬挂质量块7施加到齿轮传动装置上的扭矩(而不是根据由用户和质量块7的重量在悬挂点处施加到设备的总向下力)进行操作，该过载保护机构克服了这个问题。首先将相对于图7至图11讨论扭矩感测机构和扭矩过载保护机构，而在后面将相对于图12至图16讨论卷绕扭矩传感器和卷绕过载保护器。
参考图7至图11，开关46安装在壳体上，并且被机械偏置，以与安装板43上的弯曲特征件51接合，弯曲特征件51在中心处径向最厚，并且在每个旋转周向方向上朝向边缘渐缩。开关46在正常使用期间闭合，其中，安装板43相对于壳体保持固定(如前所述)。随着悬挂质量块7的重量增加(例如，通过用更多的土壤填充袋7)，施加到重力驱动的驱动器上的扭矩也增加，直到满足超过第一扭矩阈值的第一扭矩过载条件(例如，在“额定”或“设计”扭矩的75％与95％之间，其中，该设备通常可以实现所需的使用寿命而没有系统故障)。此时，由弹簧45提供的阻力被部分地克服，从而使安装板43相对于壳体和柱44部分地旋转，例如旋转1-20度。在第一扭矩过载情况下，弹簧45的端部被压缩并向后偏转，但仍然与柱44接合，以防止安装板43的完全(即，自由)旋转。然而，安装板43相对于壳体的旋转运动通过抵靠在安装板43的弯曲特征件51上的开关46进行感测，从而使开关46随着弯曲特征件51的表面与开关之间的距离增加而打开。这例如通过输出信号或通过经由另一个部件改道输送电力来启动开关中的状态改变，以指示已经满足第一扭矩过载条件。这种状态改变可以触发诸如蜂鸣器或红色LED等报警装置，以警示用户袋7的重量处于高危险水平。
如果用户继续增加悬挂质量块7的重量，或者如果相对于正常加载条件出现重量突然较大增加，则可能达到超过第一扭矩阈值的第二扭矩阈值，其中，弹簧45被完全偏转通过柱44，由此允许安装板43的完全旋转。在这种情况下，弹簧45可以与旋转的安装板43一起运动，因为它不再压靠在止动柱44和安装板43上。在图11中示出了该第二扭矩过载。
在第二扭矩过载条件期间，可旋转地安装到安装板43上的行星齿轮42a-42c不再在它们的轴线上旋转，而是现在随着内齿圈40围绕太阳轮41旋转。由于行星齿轮42a-42c现在绕着太阳轮41旋转，因此没有扭矩(或旋转)被施加到电能产生装置(由齿轮41、47、48以及发电机49形成)上。在这种情况下，重力驱动的驱动器(包括齿轮40、43和42a-42c)有效地与电能产生装置分离，以便保护重力驱动的驱动器和重物链免受可能由高扭矩引起的任何损坏。
因此，由发电机49提供的电力将在第二扭矩过载条件期间被切断，并且悬挂质量块7将朝向地面加速。每当安装板43完成完整的360度旋转时，弹簧45将再次与止动柱44接触，从而导致下落质量块7的突然减速。假设施加到安装板43上的扭矩此时仍然超过第二扭矩阈值，弹簧45将再次偏转通过柱44。
本文所述的扭矩过载保护机构的另一个优点在于：在安装板保持静态直到施加过大质量块的构造中，可以装配更轻质的弹簧(与现有技术相反)，该弹簧不必被预加载到考虑了质量块7的重量加上设备本身的重量和为提升质量块而由用户施加的向下力的偏压。这比较有益，因为轻质弹簧45将对系统施加较小的应变，安装更安全并且由于其减少了材料质量而具有更低的成本。
测试现有技术版本的GravityLightTM装置的经验已经表明：在提升质量块时由棘轮产生的喀哒声通常被认为对用户而言是恼人的。在本发明的另一实施例中，通过用扭簧离合器60代替重激励机构的重绕链轮11和棘爪15来去除该噪声。除了减少由装置产生的噪声之外，这还导致整个组件的成本降低，并且允许防止由于提升过重的质量块而对设备造成损坏的进一步可能性。
图12至图16示出了包括扭簧离合器60的重激励机构的各实例。如上所述，可以设置该扭簧离合器60来代替包括图2和图3所示的链轮11、21和棘爪15、25的棘轮机构。另外，下面的这些扭簧离合器实例与所讨论的设备的每个较早实例完全兼容。
扭簧离合器60包括重绕链轮70，重绕链轮70构造为与形成重力驱动的驱动器的细长柔性部件的珠状链条67、68接合。链条的负载部分67(相当于图2中的16a)在重绕链轮70与悬挂质量块17之间延伸，并且在重绕链轮70上提供向下力(其由向下箭头示出)，该向下力等于悬挂质量块的重量的一半。链条的空载部分68(相当于18a)自由地悬挂在重绕链轮70的另一端。空载部分68形成细长柔性部件的第二回路18的一部分，并且在重激励过程期间可以被向下拉动。
呈圆筒形毂盘形式的心轴76从重绕链轮70的中心沿共同旋转轴线延伸。螺旋弹簧73紧紧地卷绕在心轴76的圆周上(沿在这里被示出为逆时针且朝向重绕链轮70的第一方向)，以便夹紧心轴76。螺旋弹簧73包括两个相对的突起或端部，这两个端部被称为第一柄脚71和第二柄脚72并且从心轴76切向地延伸。第一柄脚71在止动块74和第一释放块75(示意性地示出)之间延伸。止动块74定位成防止第一柄脚71在第一方向上的旋转超过预定量，而第一释放块75定位成防止第一柄脚71在与第一方向相反的第二方向上旋转预定量。
在正常使用期间，当悬挂质量块17稳定地下降并为设备提供动力时，负载部分67提供沿第一方向作用在重绕链轮70和心轴76上的扭矩。该扭矩然后被传递到螺旋弹簧73，从而使得第一柄脚71与止动块74接触。这一抵靠在与第一方向相反的第二方向上提供了阻力，这使螺旋弹簧73进一步收紧，并且进一步将心轴76保持在固定位置，从而防止重绕链轮70的任何旋转。这具有防止重激励机构滑动的效果，从而允许质量块17保持悬挂状态并将机械动作传递给重力驱动的驱动器。只要由悬挂质量块施加到重绕链轮70上的扭矩在预定操作范围内，就是这种情况。
图13至图16示意性地示出了另一实施例：除了还设置有卷绕扭矩传感器和卷绕过载保护器之外，该另一实施例与图12的前述实施例相同。在替代实施例中，可以单独设置卷绕扭矩传感器或卷绕过载保护器。卷绕扭矩传感器包括传感器80和诸如红色LED或蜂鸣器等报警装置(未示出)。传感器80构造为响应于螺旋弹簧73的位移超过预定阈值而提供诸如信号等状态的电变化。当施加到重绕链轮70上的扭矩超过称为第一卷绕扭矩阈值的预定阈值时，在第一卷绕过载条件下发生该预定运动。报警装置与开关80电联接，并且构造为响应于所述状态的电变化而警告用户存在第一卷绕扭矩过载条件。
卷绕过载保护器包括释放块79，释放块79构造为当施加到重绕链轮70上的扭矩超过称为第二卷绕扭矩阈值的预定阈值时与第二柄脚72的端部接合；所述第二卷绕扭矩阈值大于所述第一卷绕扭矩阈值。
图13示出了重激励过程期间的扭簧离合器，其中，用户向下拉动拉链18的空载部分68，以便使重绕链轮70沿弯曲箭头所示的第二方向旋转。重绕链轮70的运动驱动心轴76，并且利用该运动，牢固地卷绕在心轴76上的螺旋弹簧73也在第二方向上旋转，直到第一柄脚71与第一释放块75连接。然后第一释放块75将在第一方向上施加阻力，这能够防止第一柄脚71进一步旋转，并且打开线圈73，从而使由螺旋弹簧73施加到心轴76上的夹持力减小。对于足够的拉力而言，螺旋弹簧将充分松弛以允许心轴76在螺旋弹簧73内(即，相对于螺旋弹簧73)在第二方向上旋转。这使承载质量块17的链条的负载部分67能够升高，同时将机械输入输送至重力驱动的驱动器。
图14示出了当由质量块17施加的扭矩在预定操作范围内并且低于第一卷绕扭矩阈值时的相同扭簧离合器机构。如前所述，施加到重物链16的负载部分67上的重量使心轴76和螺旋弹簧73在第一方向上旋转，并且第一柄脚71与止动块74接触。螺旋弹簧73在第一方向上的额外旋转造成螺旋弹簧的以下形式的移位：第二柄脚72角扫描通过一段圆弧。在该实例中，开关80包括偏置部件，该偏置部件被推靠在第一柄脚71的末端上，并且被构造为响应于第一柄脚71缩短超过预定量而从关闭位置转换到打开位置。然而，如技术人员将认识到的那样，开关80可以定位在多个其它位置，以监测螺旋弹簧73的位移。
图15示出了当质量块17的重量增加直到满足第一卷绕过载条件时的情况，其中，重绕链轮70处的扭矩超过第一卷绕扭矩阈值，但仍然在扭矩的预定操作范围内。此时，第一柄脚71已经缩短了足够的量，以使开关80从闭合状态转变到打开状态。这可以使报警装置警告用户：重物17太重并且应该减小重量，或者将对设备造成损坏。由于扭矩仍然处于扭矩的预定操作范围内，因此螺旋弹簧73继续对心轴76施加足够的夹持力，从而防止重绕链轮70在第二方向上旋转。
这里，卷绕过载保护器的第二止动块79形成L形并且包括止动表面78。当沿第一方向施加到重绕链轮70上的扭矩增加时，第二柄脚72继续在第一方向上旋转，这使第二柄脚72与第二止动块79接触，直到第二柄脚的末端最终抵靠在止动表面78上，从而防止第二柄脚72在第一方向上进一步旋转。如果扭矩进一步增加超过扭矩的操作范围并因此超过第二卷绕扭矩阈值(形成操作范围的上限的所述第二卷绕扭矩阈值)，则满足第二卷绕过载条件。这在图16中示出。此时，由止动表面78施加到第二柄脚72上的阻力防止螺旋弹簧73进一步收紧其在心轴76上的夹持，使得心轴76的外侧与螺旋弹簧73的内侧之间提供的内阻力被克服。然后，心轴76和重绕链轮70能够在第二方向上旋转，从而造成悬挂质量块17朝向地面的受控加速下降，由此保护设备免受由于悬挂过重的重量而造成的损坏。如前所述，这种损坏可能发生在齿轮或细长柔性部件上，或者发生在扭簧离合器本身上，例如通过第一柄脚71或第二柄脚72的塑性变形。
在下述意义上控制该下降：尽管心轴76现在在螺旋弹簧73内部转动，但保留一些内阻力，这些内阻力产生制动力，以防止质量块自由下落。不受控制的下降可能给用户的印象是：设备已经永久破损(例如，如果设置有扭矩过载保护机构，则事实上这可能不是这种情况)。因此，卷绕扭矩过载保护器提供了附加的优点：即通过相反地实现相对较慢的、受控的下降来避免这种印象。
第一卷绕扭矩阈值和第二卷绕扭矩阈值通常可以分别设置为与第一过载阈值和第二过载阈值类似的水平。例如，卷绕扭矩传感器可以保护装置免受由于在较长时间内施加的稍微过重重量而造成的一般磨损，而卷绕过载保护器可以防止由于过载而发生的突然故障风险。可以通过选择具有适当拉伸特性的螺旋弹簧73来实现这点。
图17是使设备能够经由不同的装置被再加载(再激励)的另一实施例的示意图。该装置包括与图7至图11类似的齿轮系统。然而，为了清楚起见，仅示出其一部分。在该实例中，质量块117(其并非悬挂在闭合回路上)附接到称为重物链110的细长柔性部件的开放长度的端部。重物链110联接到链轮，链轮固定到内齿圈140上，以便驱动内齿圈140响应于悬挂质量块117的重量而在第一方向上旋转。在图17中，重物链110被示意性地示出为与内齿圈140的外部联接。重物链110的相对端(其未附接到质量块117)可以从设备的出口孔自由地伸出，或者在设备内部卷绕在轻微弹起或机械联接的存储卷筒上。
多个(在这种情况下为三个)行星齿轮142a、142b、142c设置在内齿圈140内，并且构造为响应于内齿圈140在第一方向上的旋转而沿第一方向在它们各自的轴线上旋转。然后，旋转的行星齿轮142a-142c构造为驱动中心太阳轮141在第二方向(其中，第二方向与第一方向相反)上旋转，这又经由一系列高增速比齿轮(未示出)向发电机提供机械输入。行星齿轮142a-142c安装到与重激励部件108联接的安装板(未示出)上。在该实例中，重激励部件108是称为“拉绳”的细长柔性部件的闭合回路，并且经由链轮直接联接到安装板上。作为选择，拉绳108可以经由一个或多个中间齿轮与安装板联接，中间齿轮构造为在重激励过程期间提供机械优点。
安装板仅能够在第二方向上旋转。例如，经由棘轮或扭簧离合器实现这点。该旋转仅在重激励过程期间发生，由此用户向下拉动拉绳108以向安装板施加反向扭矩，从而使其在第二方向上旋转。这使行星齿轮142a-142c现在沿第二方向绕太阳轮141运动(之前，行星齿轮相对于太阳轮静止)，同时仍沿第一方向在它们各自的轴线上旋转。这同样驱动内齿圈140在第二方向上旋转，从而向上缩回/卷绕重物链110并提升质量块117。然而，始终保持提供给电能产生装置的持续动力。重物链110持续对内齿圈140施加力，这使内齿圈140驱动行星齿轮142a-142c在它们的轴线上旋转，尽管内齿圈140的净运动是在第二方向上。行星齿轮142a-142c围绕它们的旋转轴线在第一方向上的旋转持续进行，并且驱动太阳轮141和电能产生装置的其余部分。
该实例与先前描述的过载保护机构和传感器兼容。例如，安装板可以构造为由于扭簧离合器的存在而仅沿第一方向旋转，其可以设置有卷绕扭矩过载保护器和/或卷绕扭矩传感器。
使用上述装置也实现了各种优点。例如，在细长柔性部件110的开放长度处悬挂质量块117(与闭合回路不同)的能力减小了所需的细长柔性部件的长度，从而导致成本降低。此外，钩(其悬挂重物袋)不需要构造为允许重物链110移动穿过它(例如，通过在钩上设置轮子或链轮)。这进一步降低了成本，消除了潜在的故障点并且消除了重载轴，从而提高了总体效率。
如从上述各种实施例中可以认识到的那样，提供了一种与先前版本的设备相比能够给用户带来显着益处的用于产生电能的改进型便携式设备。

Claims (34)

1.一种用于产生电能的便携式设备，所述设备包括：
电能产生装置，其响应于输入机械动作而发电；
重力驱动的驱动器，其用于通过悬挂质量块在重力作用下的下降来将所述机械动作供应到所述电能产生装置；以及
重激励机构，其适于使所述重力驱动的驱动器能够在所述质量块升高的同时进行操作。
2.根据权利要求1所述的便携式设备，其中，所述重激励机构使所述重力驱动的驱动器能够在重激励过程期间在所述质量块被提升的同时受到所述质量块的重力。
3.根据前述权利要求中任一项所述的便携式设备，其中，所述重力驱动的驱动器包括驱动机构和细长柔性部件，其中，在使用时，所述细长柔性部件与所述驱动机构和所述质量块联接，以便提供操作用的重力。
4.根据权利要求3所述的便携式设备，其中，所述细长柔性部件是链轮带、链条、皮带或绳。
5.根据权利要求3或4所述的便携式设备，其中，所述细长柔性部件还与所述重激励机构联接。
6.根据权利要求5所述的便携式设备，其中，所述重激励机构和所述驱动机构中的每一者在沿着所述细长柔性部件的不同位置处同时串联联接。
7.根据权利要求6所述的便携式设备，还适于使得：其中，在重激励过程期间，所述不同位置之间的细长柔性部件的长度被改变。
8.根据权利要求6或7所述的便携式设备，还适于使得：其中，在重激励过程期间，用户抓握所述细长柔性部件的所述长度的一部分且对所述细长柔性部件施加力，以便改变所述长度并提起所述质量块。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的便携式设备，其中，所述细长柔性部件被设置为闭合环形回路。
10.根据权利要求9所述的便携式设备，其中，所述细长柔性部件形成第一回路和第二回路，所述质量块仅悬挂在所述第一回路上，其中，通过拉动所述第二回路从而增加所述第二回路的长度并减小所述第一回路的长度来提升所述质量块。
11.根据前述权利要求中任一项所述的便携式设备，其中，所述重激励机构布置成提供就由下降质量块提供的力而言的机械优点，使得提升所述质量块所需的力小于由所述质量块产生的重力。
12.根据前述权利要求中任一项所述的便携式设备，其中，所述重激励机构设置有细长柔性部件形式的重激励部件。
13.根据权利要求12所述的便携式设备，其中，所述重激励部件被设置为链轮带、链条、皮带或绳。
14.根据权利要求13所述的便携式设备，其中，所述重激励部件被设置为重绕部件或环形回路。
15.根据前述权利要求中任一项所述的便携式设备，其中，所述重激励机构包括棘爪链轮。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的便携式设备，其中，所述重激励机构包括扭簧离合器，所述扭簧离合器包括：
重绕链轮，其具有与其同轴的中央心轴；以及
螺旋弹簧，其卷绕在所述心轴上；
其中，所述螺旋弹簧构造为当沿第一方向将量值在扭矩预定操作范围内的扭矩施加在所述重绕链轮上时对所述心轴施加夹持力，所述夹持力足以防止所述重绕链轮沿所述第一方向的旋转；并且
其中，在重激励过程期间，当沿与所述第一方向相反的第二方向将扭矩施加在所述重绕链轮上时，所述螺旋弹簧进一步构造为与所述心轴分离，以便允许所述重绕链轮沿所述第二方向的旋转。
17.根据权利要求16所述的便携式设备，其中，根据沿所述第一方向施加在所述重绕链轮上的扭矩处于所述预定操作范围内且超过第一卷绕扭矩阈值的第一卷绕过载条件，所述螺旋弹簧的第一部分构造为位移预定量；
其中，所述扭簧离合器还包括第一开关形式的卷绕扭矩传感器；并且
其中，当满足所述第一卷绕过载条件时，所述第一开关响应于所述螺旋弹簧的所述第一部分的所述位移而可操作地提供状态的电变化。
18.根据权利要求17所述的便携式设备，其中，所述卷绕扭矩传感器还包括报警装置，所述报警装置构造为当满足所述第一卷绕过载条件时响应于由所述第一开关提供的状态的电变化来提示用户。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的便携式设备，其中，所述扭簧离合器包括卷绕过载保护器，所述卷绕过载保护器可操作地构造为防止所述夹持力超过预定量值，夹持力的所述预定量值与根据第二卷绕过载条件的扭矩的所述操作范围的上限对应，其中，当沿所述第一方向施加到所述重绕链轮上的扭矩超过扭矩的所述操作范围的上限时，允许所述心轴相对于所述螺旋弹簧旋转，从而引起所述质量块的受控下降。
20.根据权利要求19所述的便携式设备，其中，所述卷绕过载保护器包括止挡件和来自所述螺旋弹簧的突起，所述突起适于因所述心轴的旋转而撞击所述止挡件，从而所述止挡件防止所述夹持力超过所述预定量值。
21.根据前述权利要求中任一项所述的便携式设备，还包括滑动离合器，所述滑动离合器适于防止所述质量块在所述重激励机构受到超过预定阈值的提升力时升高。
22.根据前述权利要求中任一项所述的便携式设备，其中，所述设备构造为使得所述重力驱动的驱动器和所述电能产生装置能够围绕共同轴线相对于彼此至少部分地旋转，所述设备还包括扭矩感测机构，其中，所述扭矩感测机构包括：
柔性部件，其构造为阻止所述重力驱动的驱动器与所述电能产生装置之间的相对旋转，其中，如果施加在所述重力驱动的驱动器上的扭矩低于第一扭矩阈值，则所述柔性部件防止任何所述旋转，并且其中，在施加于所述重力驱动的驱动器上的扭矩超过所述第一扭矩阈值的第一扭矩过载条件下，由所述柔性部件提供的阻力被部分地克服，以便允许所述重力驱动的驱动器与所述电能产生装置之间的部分旋转；以及
第二开关，其在满足所述第一扭矩过载条件时响应于所述部分旋转而提供状态的电变化。
23.根据权利要求22所述的便携式设备，还包括报警装置，所述报警装置构造为当满足所述第一扭矩过载条件时响应于由所述第二开关提供的状态的电变化来提示用户。
24.根据前述权利要求中任一项所述的便携式设备，其中，所述设备构造为使得所述重力驱动的驱动器和所述电能产生装置能够围绕共同轴线相对于彼此旋转，所述设备还包括扭矩过载保护机构；
其中，所述扭矩过载保护机构构造为仅当所述重力驱动的驱动器受到超过根据第二扭矩过载条件的第二扭矩阈值的扭矩时允许所述重力驱动的驱动器与所述电能产生装置之间的完全旋转。
25.根据权利要求22和24所述的便携式设备，其中，与所述第二扭矩阈值对应的扭矩超过与所述第一扭矩阈值对应的扭矩。
26.根据权利要求24或25所述的便携式设备，其中，所述扭矩过载保护机构构造为在所述第二扭矩过载条件期间使所述重力驱动的驱动器与所述电能产生装置分离，以便允许所述质量块下降而不向所述电能产生装置提供输入机械动作。
27.根据前述权利要求中任一项所述的便携式设备，其中，所述重力驱动的驱动器包括内齿轮、多个行星齿轮和安装板，其中，所述行星齿轮安装在所述安装板上并构造为与所述内齿轮啮合；其中，所述电能产生装置包括齿轮系，所述齿轮系具有位于所述齿轮系的上游端处的太阳轮和位于所述齿轮系的下游端处的发电机，其中，所述太阳轮构造为与所述行星齿轮啮合。
28.根据权利要求27所述的便携式设备，当从属于权利要求22至25中任一项时，其中，通过将所述安装板构造为围绕所述太阳轮旋转来实现所述重力驱动的驱动器与所述电能产生装置之间的所述旋转。
29.根据权利要求27或28所述的便携式设备，其中：
所述内齿轮构造为当所述重力驱动的驱动器被所述悬挂质量块驱动时沿第一方向旋转；
所述重激励机构构造为在重激励过程期间响应于由用户提供的机械输入而防止所述安装板沿所述第一方向的旋转且允许所述安装板沿与所述第一方向相反的第二方向的旋转；并且
所述安装板沿所述第二方向的所述旋转使所述内齿轮沿所述第二方向旋转，从而提升所述质量块。
30.根据权利要求28所述的便携式设备，并且当至少从属于权利要求24时，其中，所述柔性部件构造为响应于由安装在所述安装板上的所述行星齿轮施加在所述安装板上的扭矩而提供阻力，以便阻止所述安装板与所述电能产生装置之间的相对旋转；其中，由所述柔性部件提供的所述阻力是这样的：
低于施加在所述安装板上的第一扭矩阈值，所述柔性部件与所述安装板接合，以便限制所述安装板相对于所述电能产生装置的旋转；
高于所述第一扭矩阈值但低于施加在所述安装板上的第二扭矩阈值，所述柔性部件被所述安装板偏转，以便允许所述安装板关于所述电能产生装置的进一步旋转；以及
高于所述第二扭矩阈值，所述柔性部件脱离接合，以便允许所述安装板关于所述电能产生装置的自由旋转。
31.根据前述权利要求中任一项所述的便携式设备，其中，所述电能产生装置包括发电机，所述发电机选自包括交流发电机、直流电动机或直流发电机的组。
32.根据前述权利要求中任一项所述的便携式设备，其中，所述电能产生装置包括用于将来自所述重力驱动的驱动器的相对低速输入转换成所述电能产生装置处的相对高速输出的齿轮系。
33.根据前述权利要求中任一项所述的便携式设备，其中，所述电能产生装置和所述重力驱动的驱动器被设置为一个单元，所述重力驱动的驱动器包括柔性链轮带，在使用时，所述柔性链轮带的一侧端部与所述质量块联接，以便提供所述设备操作用的力。
34.一种成套工具，包括：
根据本发明第一方面所述的便携式设备；
细长柔性部件，其形成所述重力驱动的驱动器的一部分；以及
重物袋，其附接在所述细长柔性部件上。
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