CN108110985B - 磁导式鞋履能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
一种磁导式鞋履能量收集装置，所述底座上设有永磁体磁轭限位卡、线圈磁轭限位卡和摆磁轭限位卡；所述永磁体磁轭位于永磁体磁轭限位卡内；所述永磁体呈圆柱体，所述永磁体一端放置于永磁体磁轭内，所述永磁体的另一端与上磁轭相接，所述上磁轭的一端有一个孔与永磁体配合，所述上磁轭的另一端有一安装孔，所述上磁轭的安装孔下有一个漆包铜线圈，所述线圈引出端连接能量收集电路，所述线圈磁轭位于线圈磁轭限位卡内，所述线圈磁轭上有一安装轴，线圈缠绕其上，该安装轴插入上磁轭的安装孔内；所述摆磁轭位于摆磁轭侧限位卡内。本发明能量转换效率较高、结构可靠性、安装简便。
Description
技术领域
本发明属于鞋履，涉及智能穿戴中的电磁式能量收集装置领域，尤其涉及一种放置鞋底中，通过人类步行对鞋底的挤压收集能量的装置。
背景技术
人每天都在步行，人体利用自身生物能量做自身运动。健康人的“走路量”每天至少4000步，这个活动量是人基本的运动量，要想达到促进健康，预防各种慢性病的作用，标准要提高到7000步。
人在行走过程中，当鞋着地时，地面与脚对鞋底存在挤压；鞋离地时，挤压消失。因此，采取一定措施，收集此周期性的挤压过程的机械能，转换为电能为一些无线传感器节点等供电成为一个研究和发明的着眼点。例如，国内知名的“李宁”品牌，销售多种于鞋底安装所谓“芯片”的运动鞋，其实是集成了运动传感器的嵌入式系统，专门收集运动员跑动过程中的速度、加速度等数据，无线发送到手机上的分析软件，帮助运动员解析存在的运动技术问题，达到提高成绩的目的。遗憾的是，其供电采用电池，有寿命限制，丢弃后也会有化学污染。如果能利用上述鞋底挤压过程的机械能提供电能，应该会十分有利于环保和“芯片鞋”的推广。
利用足跟挤压鞋底进行能量收集最早可见J.Kymissis,C.Kendall,J.Paradiso,and N.Gershenfeld.Parasitic power harvesting in shoes.In Proc.of the SecondIEEE International Conference on Wearable Computing(ISWC),IEEE ComputerSociety Press,pages pp.132–139,October 1998；近期的有，中国申请号为201610372111.4的发明专利，发明名称为一种多功能发电鞋和中国申请号为201620404994.8的实用新型专利，发明名称为一种带有蓄压充电功能的鞋子。上述3种文件均采用脚底对压电陶瓷片施压的方式进行能量收集，压电方式实现机械能到电能的转换技术上较为简单，但压电装置通常适用于50Hz以上高频振动能量的收集，对于步行这样的1-2Hz的低频往往会因为生成电荷量过低，不如电磁式能量收集装置。
中国申请号为201520569683.2的实用新型专利，发明名称为一种行走发电鞋，中国申请号为201610029877.2的发明专利，发明名称为一种运动发电的鞋底，此二专利都是采用气囊的伸缩来进行发电，当人抬起脚时，空气从大气中进入鞋底的气囊，脚放下时，气囊与大气隔绝而从另一个出口排出，气囊里空气运动的机械能通过电磁装置转化为电能。中国申请号为20162000277.4的实用新型专利，发明名称为板簧压缩发电鞋的专利，此专利利用步行时候弹簧的伸缩改变线圈的位置，从而达到线圈切割磁感线发电的目的。分析上述3种装置共同的缺点是：第一，没有形成闭合磁路，不参与能量收集的漏磁大，因此能量转换效率不高；第二，均存在活动部件，这对在较恶劣环境下工作的鞋来说不够合理，容易发生卡死等意外。对采用气囊的两个装置，由于存在与大气的气体交换，容易吸入异物或者进水发生意外；同时，装置中还存在类似阀门的结构，在较恶劣工作环境下容易故障，较为脆弱。对板簧压缩发电鞋装置，其垂直方向不光有活动部件，行程还偏大，在鞋底安装困难。
发明内容
为了克服已有发电功能的鞋子的能量转换效率不高、结构可靠性较差、安装麻烦的不足,本发明提供了一种能量转换效率较高、结构可靠性、安装简便的磁导式鞋履能量收集装置，无活动零部件，仅有弹性形变部件或者微动零部件，仅通过微小的形变和微动获得磁场大幅变化，结构紧凑可靠；实现闭合磁路，通过闭合磁路的通断收集能量，能量转换效率高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种磁导式鞋履能量收集装置，包括底座、永磁体磁轭、永磁体、上磁轭、线圈、线圈磁轭和摆磁轭，所述底座为非磁性材料制成的底座，所述底座上设有永磁体磁轭限位卡、线圈磁轭限位卡和摆磁轭限位卡；所述永磁体磁轭位于永磁体磁轭限位卡内；所述永磁体呈圆柱体，所述永磁体一端放置于永磁体磁轭内，所述永磁体的另一端与上磁轭相接，所述上磁轭的一端有一个孔与永磁体配合，所述上磁轭的另一端有一安装孔，所述上磁轭的安装孔下有一个漆包铜线圈，所述线圈引出端连接能量收集电路，所述线圈磁轭位于线圈磁轭限位卡内，所述线圈磁轭上有一安装轴，线圈缠绕其上，该安装轴插入上磁轭的安装孔内；所述摆磁轭位于摆磁轭限位卡内，安装位置上，摆磁轭的一个斜面邻近永磁体磁轭上的斜面也邻近线圈磁轭上的斜面，当摆磁轭发生小角度摆动，其与永磁体磁轭上的斜面以及线圈磁轭上的斜面的距离将变化。
进一步，所述摆磁轭限位卡包括摆磁轭前限位卡和两个摆磁轭侧限位卡，摆磁轭上有一矩形孔，底座上的摆磁轭前限位卡卡入此孔，同时，底座上的两个摆磁轭侧限位卡，两侧卡住摆磁轭。
所述能量收集装置设有上盖，所述上盖安装于底座之上，上盖为非磁性材料制成的上盖。
优选的，所述上盖顶部呈弧形，所述上盖内侧顶部接近于安装位置下的摆磁轭的顶部。
所述永磁体一端放置于永磁体磁轭的一个平底盲孔内，所述上磁轭的一端有一个平底盲孔与永磁体配合。
所述底座为矩形底座，为非磁性的塑料制成，不导磁，要求有较好韧性和耐磨性。底座上设有永磁体磁轭限位卡、线圈磁轭限位卡、摆磁轭前限位卡和两个摆磁轭侧限位卡，要求上述限位卡，特别是后3个限位卡有较高的耐磨性和韧性。
所述永磁体磁轭，由软磁材料制成，粘接辅以永磁体磁轭限位卡固定与底座。所述永磁体为铁氧体永磁材料或稀土永磁材料粉末与塑料或橡胶混合塑形而成的。所述上磁轭由软磁材料制成，要求具有良好的导磁性能。所述线圈磁轭由软磁材料制成，要求具有良好的导磁性能，粘接辅以线圈磁轭限位卡固定与底座。所述摆磁轭由软磁材料制成，要求具有良好的导磁性能，同时要求此零件有较高耐磨性。摆磁轭上各有一矩形孔，底座上的摆磁轭前限位卡卡入此孔，同时，底座上的两个摆磁轭侧限位卡，两侧卡住摆磁轭。底座和底座上的3个限位卡，完全限制了摆磁轭的自由度，使其不能运动，只有在外力使上述3个限位卡发生弹性形变，才能使其发生小角度摆动。安装位置上，摆磁轭的一个斜面邻近永磁体磁轭上的斜面也邻近线圈磁轭上的斜面，当摆磁轭发生小角度摆动，其与永磁体磁轭上的斜面以及线圈磁轭上的斜面的距离将变化。
所述上盖为非磁性的塑料制成，不导磁，要求有较好韧性和耐磨性。上盖顶部略呈弧形，便于接受脚底的挤压。上盖内侧顶部，非常接近于安装位置下的摆磁轭的顶部，因此上盖向下的形变将直接作用与摆磁轭，并导致固定摆磁轭的位于底座的摆磁轭前限位卡和两个摆磁轭侧限位卡发生形变，从而使摆磁轭发生小角度摆动，造成摆磁轭与永磁体磁轭和线圈磁轭更为接近。
将此装置置于鞋底的脚跟部位的矩形凹陷内，凹陷的剩余空间留给无线传感器节点的其他部分，如蓄能电容、传感器、嵌入式系统、无线传输模块等。鞋底上应覆盖鞋垫，避免不良脚感。
本发明中，通过人步行过程中，脚着地、离地这样周期性的运动，通过电磁式装置，将人体的些微机械能转化为电能，为鞋底中安装的低功耗无线传感器节点供电。
当人行走时，讨论如下两种情况下，装置的状态：
第一，当脚落地，地面和脚对鞋底形成挤压时。鞋垫压迫装置的上盖，上盖压迫摆磁轭，摆磁轭压迫底座上的摆磁轭前限位卡和两个摆磁轭侧限位卡发生形变，摆磁轭发生小角度摆动，造成摆磁轭上与永磁体磁轭和线圈磁轭对应的斜面与永磁体磁轭和线圈磁轭上斜面距离非常接近。不是一般性地设永磁体N极向上，此情况下，形成永磁体N极，永磁体N极所在上磁轭，线圈磁轭，气隙，摆磁轭，气隙，永磁体S极所在永磁体磁轭的闭合磁路，该磁路中只有两处穿越非磁材料气隙时，磁阻相对大，磁路其余处均处于软磁材料，磁阻很小。同时，此时摆磁轭与永磁体磁轭以及线圈磁轭的距离相当近，其间气隙磁阻也不大。故磁路中磁阻不大，磁感应强度高，磁路磁通大，通过线圈的磁链同样也大。
第二，当脚离地，地面和脚对鞋底形成挤压消失。上盖形变大幅减少，底座上的摆磁轭前限位卡和两个摆磁轭侧限位卡形变大幅减少，从而摆磁轭回摆，与永磁体磁轭和线圈磁轭的距离也恢复，达到第一种情况下的数倍，相应地，上述磁路中的两处穿越气隙的磁阻也为第一种情况的数倍，磁路总磁阻也为第一种情况的数倍，磁路磁感应强度急剧下降，磁路磁通急剧下降，通过线圈的磁链同样也急剧下降，可认为闭合磁路被阻断了。
对比，上述两种情况，在行走过程中，随脚的落地和抬起交替发生，装置中线圈的磁链变化剧烈，依据电磁感应原理，将在线圈中产生感应电动势，并可在线圈的引出端获取此电动势，达到能量收集的目的。
本发明的有益效果表现在：第一，无活动零部件，仅有弹性形变部件，仅通过微小的形变获得磁场大幅变化，结构紧凑可靠；第二，实现闭合磁路，通过闭合磁路的通断收集能量，能量转换效率高。
附图说明：
图1为装置去除上盖图。
图2为装置去除上盖、上磁轭图。
图3为底座图。
图4为永磁体磁轭图。
图5为上磁轭图。
图6为线圈磁轭图。
图7为摆磁轭图。
图8为装置外观图。
图9为装置安装于鞋底的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1～图9，一种磁导式鞋履能量收集装置，通过人步行过程中，脚着地、离地这样周期性的运动，通过电磁式装置，将人体的些微机械能转化为电能，为鞋底中安装的低功耗无线传感器节点供电。下面来阐述其中的具体结构：
本装置有一矩形底座1，见图1、图2和图3，为非磁性的塑料制成，不导磁，要求有较好韧性和耐磨性。底座上设有永磁体磁轭限位卡1-1、线圈磁轭限位卡1-2、摆磁轭前限位卡1-3和两个摆磁轭侧限位卡1-4，要求上述限位卡，特别是后3个限位卡有较高的耐磨性和韧性。
进一步，本装置有一个永磁体磁轭2，见图1、图2和图4，由软磁材料制成。粘接辅以永磁体磁轭限位卡固定与底座。
进一步，本装置有一个永磁体3，见图1图2，为铁氧体永磁材料或稀土永磁材料粉末与塑料或橡胶混合塑形而成的。永磁体呈圆柱体，一端放置于永磁体磁轭的一个较浅的平底盲孔内。
进一步，上述永磁体的另一端与上磁轭4相接，见图1和图5。上磁轭的一端有一个较浅的平底盲孔与永磁体配合。上磁轭由软磁材料制成，要求具有良好的导磁性能。上磁轭的另一端有一安装孔。
进一步，上磁轭的安装孔下有一个漆包铜线圈5，见图1和图2，线圈引出端接相关能量收集电路，有专门的芯片可实现此功能。
进一步，本装置有一个线圈磁轭6，见图1、图2和图6，由软磁材料制成，要求具有良好的导磁性能。粘接辅以线圈磁轭限位卡固定与底座。线圈磁轭上有一安装轴，线圈缠绕其上，该安装轴插入上磁轭的安装孔内。
进一步，摆磁轭7由软磁材料制成，见图1、图2和图7，要求具有良好的导磁性能，同时要求此零件有较高耐磨性。摆磁轭上各有一矩形孔，底座上的摆磁轭前限位卡卡入此孔，同时，底座上的两个摆磁轭侧限位卡，两侧卡住摆磁轭。底座和底座上的3个限位卡，完全限制了摆磁轭的自由度，使其不能运动，只有在外力使上述3个限位卡发生弹性形变，才能使其发生小角度摆动。安装位置上，摆磁轭的一个斜面邻近永磁体磁轭上的斜面也邻近线圈磁轭上的斜面，当摆磁轭发生小角度摆动，其与永磁体磁轭上的斜面以及线圈磁轭上的斜面的距离将变化。
进一步，装置有上盖8，见图8和图9，安装于底座之上。上盖为非磁性的塑料制成，不导磁，要求有较好韧性和耐磨性。上盖顶部略呈弧形，便于接受脚底的挤压。上盖内侧顶部，非常接近于安装位置下的摆磁轭的顶部，因此上盖向下的形变将直接作用与摆磁轭，并导致固定摆磁轭的位于底座的摆磁轭前限位卡和两个摆磁轭侧限位卡发生形变，从而使摆磁轭发生小角度摆动，造成摆磁轭与永磁体磁轭和线圈磁轭更为接近。
进一步，将此装置置于鞋底的脚跟部位的矩形凹陷内，见图9，装置的尺寸按设计为20mm×14mm×5.6mm，凹陷的剩余空间留给无线传感器节点的其他部分，如蓄能电容、传感器、嵌入式系统、无线传输模块等。鞋底上应覆盖鞋垫，避免不良脚感。
当人行走时，讨论如下两种情况下，装置的状态：
第一，当脚落地，地面和脚对鞋底形成挤压时。鞋垫压迫装置的上盖，上盖压迫摆磁轭，摆磁轭压迫底座上的摆磁轭前限位卡和两个摆磁轭侧限位卡发生形变，摆磁轭发生小角度摆动，造成摆磁轭上与永磁体磁轭和线圈磁轭对应的斜面与永磁体磁轭和线圈磁轭上斜面距离非常接近。不是一般性地设永磁体N极向上，此情况下，形成永磁体N极，永磁体N极所在上磁轭，线圈磁轭，气隙，摆磁轭，气隙，永磁体S极所在永磁体磁轭的闭合磁路，该磁路中只有两处穿越非磁材料气隙时，磁阻相对大，磁路其余处均处于软磁材料，磁阻很小。同时，此时摆磁轭与永磁体磁轭以及线圈磁轭的距离相当近，其间气隙磁阻也不大。故磁路中磁阻不大，磁感应强度高，磁路磁通大，通过线圈的磁链同样也大。
第二，当脚离地，地面和脚对鞋底形成挤压消失。上盖形变大幅减少，底座上的摆磁轭前限位卡和两个摆磁轭侧限位卡形变大幅减少，从而摆磁轭回摆，与永磁体磁轭和线圈磁轭的距离也恢复，达到第一种情况下的数倍，相应地，上述磁路中的两处穿越气隙的磁阻也为第一种情况的数倍，磁路总磁阻也为第一种情况的数倍，磁路磁感应强度急剧下降，磁路磁通急剧下降，通过线圈的磁链同样也急剧下降，可认为闭合磁路被阻断了。
对比，上述两种情况，在行走过程中，随脚的落地和抬起交替发生，装置中线圈的磁链变化剧烈，依据电磁感应原理，将在线圈中产生感应电动势，并可在线圈的引出端获取此电动势，达到能量收集的目的。
Claims (5)
1.一种磁导式鞋履能量收集装置，其特征在于，包括底座、永磁体磁轭、永磁体、上磁轭、线圈、线圈磁轭和摆磁轭，所述底座为非磁性材料制成的底座，所述底座上设有永磁体磁轭限位卡、线圈磁轭限位卡和摆磁轭限位卡；所述永磁体磁轭位于永磁体磁轭限位卡内；所述永磁体呈圆柱体，所述永磁体一端放置于永磁体磁轭内，所述永磁体的另一端与上磁轭相接，所述上磁轭的一端有一个孔与永磁体配合，所述上磁轭的另一端有一安装孔，所述上磁轭的安装孔下有一个漆包铜线圈，所述线圈引出端连接能量收集电路，所述线圈磁轭位于线圈磁轭限位卡内，所述线圈磁轭上有一安装轴，线圈缠绕其上，该安装轴插入上磁轭的安装孔内；所述摆磁轭位于摆磁轭限位卡内安装位置上，摆磁轭的一个斜面邻近永磁体磁轭上的斜面也邻近线圈磁轭上的斜面，当摆磁轭发生小角度摆动，其与永磁体磁轭上的斜面以及线圈磁轭上的斜面的距离将变化。
2.如权利要求1所述的磁导式鞋履能量收集装置，其特征在于，所述摆磁轭限位卡包括摆磁轭前限位卡和两个摆磁轭侧限位卡，摆磁轭上有一矩形孔，底座上的摆磁轭前限位卡卡入此孔，同时，底座上的两个摆磁轭侧限位卡从两侧卡住摆磁轭。
3.如权利要求1或2所述的磁导式鞋履能量收集装置，其特征在于，所述能量收集装置设有上盖，所述上盖安装于底座之上，上盖为非磁性材料制成的上盖。
4.如权利要求3所述的磁导式鞋履能量收集装置，其特征在于，所述上盖顶部呈弧形，所述上盖内侧顶部接近于安装位置下的摆磁轭的顶部。
5.如权利要求1或2所述的磁导式鞋履能量收集装置，其特征在于，所述永磁体一端放置于永磁体磁轭的一个平底盲孔内，所述上磁轭的一端有一个平底盲孔与永磁体配合。
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| CN108110985A (zh) | 2018-06-01 |
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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