CN106640560A - 一种人体足部直线电磁式机械能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体足部直线电磁式机械能发电装置。使用本发明能够高效地将人体足部运动时水平方向上的动量转化为机械能，且本装置体积小巧，适应鞋底尺寸。本发明采用直线电磁式发电机采集人体足部机械能，针对人体足部交替踩压地面的特点，更加高效地采集人体足部的机械能。

Description

一种人体足部直线电磁式机械能发电装置

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种人体足部直线电磁式机械能发电装置。

背景技术

随着近几年电子信息技术的快速发展，移动电子设备的应用越来越广泛，而其传统供电设备—电池，发展缓慢，这很大程度上限制移动电子设备的小型化设计与使用寿命，并且，当电池电量耗尽，对电池的不当处理也会造成环境污染。另一方面，人体却是一个丰富的能量综合体，人体消化系统将食物的化学能吸收，又通过人体的日常活动以热能或机械能的形式消耗。而对人体热能的采集会对人体健康有一定影响，所以，在基本不影响人体正常活动的情况下，采集人体机械能为移动电子设备供电具有重要意义。

现在已经有许多种类型的应用在人体足部的机械能采集装置。一般来说这些装置的原理基本分为三种，即齿轮传动式、压电式、电磁式。例如黄淞在其专利《发电鞋》(CN102273764A)中提出一种利用人体行走时踩踏鞋底的位移驱动齿条，再带动电机轴转动，驱动发电机发电，当足部抬离地面时，弹性球带动齿条恢复原位。这种发电结构的缺点一方面在于齿条易磨损，结构复杂，重量大；另一方面是人体行走时足部垂直地面方向上的位移小，齿条行程短，发电效率低。又例如李伟进、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来收集人体踩压鞋底的能量进行发电的方式，这种方式的缺点一方面在于压电材料强度较差，由于其晶体结构特点，发出的电流也较小；另一方面是压电材料需要高频率的压力冲击才有较高电能输出，而人体行走的运动频率较低，所以发电效率低。再有，窦丽华、赵勇力在其专利《一种人体足部机械能发电装置》(CN104009608A)中提出了一种通过液体腔吸收人体踩踏鞋底的能量，驱动特制磁体活塞水平方向上的运动，其磁感线进而切割定子线圈匝组，从而使定子线圈匝组发出电能，并以独特的磁体和线圈排列结构提高发电效率。而这种发电结构的缺陷在于，相邻磁体同极相对的结构使得磁体活塞结构不稳定，液体腔中的液体有泄漏问题，磁体的排布方式不易实现扁平化设计，功率密度较底。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种人体足部直线电磁式机械能发电装置，能够减小装置体积适应鞋底厚度，并且功率密度较大。

本发明为一种人体足部直线电磁式机械能发电装置，该发电装置包括定子、动子、发电机外壳，发电机前盖、发电机后盖、电能处理模块和USB输出接口；发电机外壳为长方体结构，发电机外壳上有三个沿长度方向的通槽，其中中间通槽为动子槽，位于两侧的通槽为定子槽；定子由磁体组和定子框架组成，所述磁体组由多组上下平放的成对磁体水平排列构成，上下层磁体分别位于上下两个定子框架中，定子框架分别位于上下两个定子槽中；动子由线圈匝组、绕线管和动子框架组成，绕线管上缠绕线圈匝组后整体位于动子框架内，动子与动子槽滑动配合；发电机前盖和发电机后盖分别安装于发电机外壳前后端对称的两侧；电能处理模块一端与线圈匝组相连，另一端与USB输出接口相连。

进一步的，所述成对的磁体异极相对，水平相邻磁体异极相对。

进一步的，所述线圈匝组为两组。

进一步的，所述两线圈匝组绕线方向相反。

进一步的，所述线圈匝组的半径小于磁体的半径。

进一步的，所述电能处理模块包括整流稳压模块和能量储存模块。

有益效果：

1、本发明采用直线电磁式发电机采集人体足部机械能，该发电机由人体足部运动时动子的惯性驱动，将人体足部运动时水平方向上的动量转化为电机的动子的动量，针对人体足部交替踩压地面的特点，更加高效地采集人体足部的机械能；

2、本发明的磁体采用的是平放的方式，如此便可以采用足够大直径的磁体来增大动子线圈的磁通幅值，从而增大磁通变化率，最终达到提高发电效率的目的；同时，磁体的放置方式有利于将发电机设计成扁平形状，减小装置纵向尺寸，从而适应鞋底的尺寸；

3、并采用相邻磁体对极性相反的结构和与之相配合的相邻线圈匝组绕线方向相反，在有限的发电机体积内尽可能提高发电效率；

4、本发明的电机由惯性驱动，基本没有磨损，装置可靠性高，使用寿命延长；

5、本发明结构简单，材料使用成本低且易获取，易于实现低成本。

附图说明

图1是发电鞋装置整体示意图。

图2是机械能发电装置的示意图。

图3是发电机外壳的示意图。

图4是动子的结构示意图。

图5是动子框架的结构示意图。

图6是动子线圈磁通示意图。

图7是系统原理结构示意图。

其中，1-发电机后盖，2-磁体组，3-定子框架，4-发电机外壳，5-绕线管，6-线圈匝组，7-动子框架，8-缓冲部件，9-导线，10-发电机前盖，11-USB输出接口，12-电能处理模块，13-导孔，14-定子槽，15-动子槽。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种人体足部直线电磁式机械能发电装置。

本机械发电装置由定子、动子、发电机外壳4、发电机后盖1、发电机前盖10、USB输出接口11、导线9和电能处理模块12组成，其中定子由定子框架3和磁体组组成，动子由动子框架7、绕线管5、线圈匝组6和缓冲部件8组成。

其装置整体结构及连接关系如下：

如图2所示，磁体组2放置于上下两层的定子框架3中，组成发电机的定子，磁体组的排列方式为上下相对磁体异极相对，左右相邻磁体极性相反。定子放置于如图3所示的电机外壳4的上下两个定子槽14中。如图4所示，两个绕线管5上分别绕有线圈匝组6，其中相邻线圈匝组绕线方向相反，并放置于如图5所示的动子框架7中，从而构成发电机的动子，动子放置在的如图3所示的点击外壳4中间的动子槽中15。如图5示的动子框架7两侧表面粘有缓冲部件8，在动子框架与发电机前盖10或发电机后盖1碰触时起缓冲作用。该磁体组的排列方式以及线圈匝组绕线方式，使在动子运动的过程中，动子线圈匝组的磁通变化率大大提高，进而提高发电效率。动子线圈半径的选取基于以下考虑：当动子线圈最大半径小于磁铁半径时，如图6a所示，其磁通幅值会因线圈面积的减小而减小；当动子线圈最大半径大于磁铁半径时，如图6b所示，会因线圈横跨三组磁铁而导致磁通有一部分抵消，也会使磁通幅值减小，且线圈利用率低，内阻大。所以线圈的最大半径等于磁铁的半径最佳。动子与定子间的空隙尽量小，使得穿过线圈的磁感应强度更强，保证线圈的磁通幅值最大化，提高动子线圈的磁通变化率与发电机的发电效率。发电机外壳前后由发电机前盖10和发电机后盖1封闭，其中发电机外壳4上设有导孔13，发电机输出由导线9连接至设有能量输出USB输出接口11的电能处理模块12，其中，电能处理模块包括整流稳压模块和能量储存模块，可将能量储存在储能模块当中，需要时可由能量输出模块，即USB输出接口输出。本实施例的储能元件采用超级电容器，超级电容器具有充电速度快、循环使用寿命长以及能量转换效率高等优点，适合本实施例的充电循环次数多、单次充电能量输出较低等特点。本实施例的整流稳压模块由四个压降较低的肖特基二极管搭建的单相桥式整流电路和场效应管开关稳压电路组成。

本实施例中，直线电机的定子框架、动子框架、绕线管、电机外壳、电机盖、电能处理模块外壳均由3D打印制作。

本装置在人体足部环境下的机械能发电的工作原理及其实现方式如下所述：当装有本发明的发电鞋穿着者行走时，足部脚跟离地而脚尖还未离地时间段内，脚跟比脚尖高，由于重力的作用，由线圈匝组6、绕线管5、动子框架以及缓冲部件8组成的动子将相对于由磁体组2及定子框架3组成的定子向前滑动；足部完全离地向前加速摆动时，由于惯性的作用，动子将相对于定子向后滑动；足部在还未触地向前减速摆时段内，由于惯性的作用，动子将相对于定子向前滑动；当足部脚跟触地而脚尖还未触地时，脚跟比脚尖低，由于重力的作用，动子将相对于定子向后滑动。动子相对于定子运动时，动子线圈的磁通产生相应变化，图6为动子线圈磁通示意图，设动子线圈在图6c的位置时，磁通为正，而由于两组线圈的绕向相反，其所处位置的磁感线方向也相反，所以两线圈的磁通相加，此时磁通为正向最大值。而当动子线圈与定子相对往复运动时，可知动子线圈的磁通以类似正弦的规律变化，所以磁通的变化率与磁通的幅值成正比。而动子相对于定子运动时，线圈匝组6将切割磁体组2的磁感线，引起线圈匝组6中的磁通量剧烈变化，使线圈匝组6内产生交流电，交流电输出端由导线9连接至电能处理模块12，电能处理经过其整流、稳压及储存，可由USB输出接口输出，为人们日常生活中的移动电子设备供电。

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 (6)

1.一种人体足部直线电磁式机械能发电装置，其特征在于，该发电装置包括定子、动子、发电机外壳，发电机前盖、发电机后盖、电能处理模块和USB输出接口；发电机外壳为长方体结构，发电机外壳上有三个沿长度方向的通槽，其中中间通槽为动子槽，位于两侧的通槽为定子槽；定子由磁体组和定子框架组成，所述磁体组由多组上下平放的成对磁体水平排列构成，上下层磁体分别位于上下两个定子框架中，定子框架分别位于上下两个定子槽中；动子由线圈匝组、绕线管和动子框架组成，绕线管上缠绕线圈匝组后整体位于动子框架内，动子与动子槽滑动配合；发电机前盖和发电机后盖分别安装于发电机外壳前后端对称的两侧；电能处理模块一端与线圈匝组相连，另一端与USB输出接口相连。

2.如权利要求1所述的人体足部直线电磁式机械能发电装置，其特征在于，成对的磁体异极相对，水平相邻磁体异极相对。

3.如权利要求1所述的人体足部直线电磁式机械能发电装置，其特征在于，线圈匝组为两组。

4.如权利要求3所述的人体足部直线电磁式机械能发电装置，其特征在于，两线圈匝组绕线方向相反。

5.如权利要求1所述的人体足部直线电磁式机械能发电装置，其特征在于，线圈匝组的半径小于磁体的半径。

6.如权利要求1所述的人体足部直线电磁式机械能发电装置，其特征在于，电能处理模块包括整流稳压模块和能量储存模块。