CN108599517B - 增强型压磁鞋履能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
一种增强型压磁鞋履能量收集装置，底座内侧中部偏左有一安装轴，安装轴周围有一片凹陷，底座左侧壁有两个压杆轴支承，在底座内侧底部凹陷中嵌入压磁磁轭，压磁磁轭固定于底座的下底，压磁磁轭为上下对称的结构，上下两部分均有圆形阶梯孔，较小孔在外侧与底座上的安装轴配合，压磁磁轭两圆形阶梯孔的内侧较大孔之间安装了筒形永磁体，筒形永磁体的内孔与底座上的安装轴配合；压磁磁轭上下两部分之间的轴上缠绕了一个漆包铜线圈，线圈两引出端连接能量收集电路；压杆通过压杆轴固定于底座的压杆轴支承，并紧贴在压磁磁轭安装位置上表面。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、安装简便的增强型压磁鞋履能量收集装置，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通过压磁效应获得磁场显著变化，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：
一种增强型压磁鞋履能量收集装置，包括底座、压磁磁轭、筒形永磁体、线圈和压杆，所述底座为非磁性材料制成的底座，所述底座内侧中部偏左有一安装轴，所述安装轴周围有一片凹陷，所述底座左侧壁有两个压杆轴支承，在底座内侧底部凹陷中嵌入压磁磁轭，压磁磁轭固定于底座的下底，所述压磁磁轭为上下对称的结构，上下两部分均有圆形阶梯孔，较小孔在外侧与底座上的安装轴配合，压磁磁轭两圆形阶梯孔的内侧较大孔之间安装了筒形永磁体，所述筒形永磁体的内孔与底座上的安装轴配合；压磁磁轭上下两部分之间的轴上缠绕了一个漆包铜线圈，所述线圈两引出端连接能量收集电路；压杆通过压杆轴固定于底座的压杆轴支承，并紧贴在压磁磁轭安装位置上表面。
进一步，从压杆的安装位置看，压杆上部有加强筋，压杆尾部设有一保护筋。
所述能量收集装置还包括上盖，所述上盖为非磁性材料制成的上盖，所述上盖套于底座之上，所述上盖内侧上表面直接压于压杆的上表面，所述上盖的顶部沿短边方向呈拱形。
优选的，所述底座为矩形底座，所述上盖为矩形上盖。
所述矩形底座为非磁性的塑料制成，不导磁。所述压磁磁轭为软磁性的，具有良好的导磁性能，但是在应力作用下，其磁导率会发生明显变化，也就是具有压磁效应，并选用具有正压磁效应(压应力下磁导率下降)的材料。压磁磁轭还要求具有较好抗压强度、耐磨性和疲劳强度。压磁磁轭为上下对称的结构，上下两部分均有圆形阶梯孔，较小孔在外侧与底座上的安装轴配合，较大孔处内侧。
所述筒形永磁体为永磁材料成的，筒形永磁体要求较好的抗压强度、刚性和耐磨性。压杆为非磁性的塑料制成，要求具有较好耐磨性，并具有一定刚度但不宜过高，以保护压磁磁轭和筒形永磁体免遭不均匀分布的压力和冲击力的破坏。从压杆的安装位置看，压杆上部有较宽的加强筋，该结构一方面用于增加此零件的刚度，一方面此加强筋的顶部可直接接受来自足跟中线附近的较大变形，增强了压磁的效果。压杆尾部设有一保护筋，该保护筋向下延伸直到接近底座底部处，其目的是限制压杆只能微动，避免过大压力对压磁磁轭和筒形永磁体造成破坏。压杆上部整体可接受压力，下方支撑仅来自距离压杆轴较近的压磁磁轭有孔一侧和筒形永磁体，故利用了杠杆效应增强压磁磁轭表面的压力，从而增强了其内部的应力，增强了压磁效果。
所述上盖为非磁性的塑料制成，不导磁，要求有较好耐磨性。上盖有一定柔性和延展性，并且其顶部沿短边方向略呈拱形，这样足部的压力能通过上盖集中施加于压杆上表面。
将此装置置于鞋底的脚跟部位的矩形凹坑内，凹坑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。
通过人步行过程中，脚着地、离地这样周期性的运动，通过利用压磁效应的电磁式装置，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，当脚离地，地面和脚对鞋底形成无明显挤压。装置中压杆、压磁磁轭、和筒形永磁体也没有明显压力。装置也具备筒形永磁体N极，压磁磁轭，筒形永磁体S极的闭合磁路，该磁路中压磁磁轭导磁率较高，磁阻很小，磁路中磁感应强度高，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，上盖压迫压杆，并经过压杆增强作用到压磁磁轭和筒形永磁体。由于压磁磁轭为正压磁效应材料，此时其磁导率显著下降，上述闭合磁路中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，磁路磁感应强度显著下降，磁路磁通显著下降，通过线圈的磁链同样也显著下降。
对比，上述两种情况，行走过程中，随脚的落地和抬起的周期变化，装置中的线圈的磁链变化显著，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，仅有弹性形变部件或者微动零部件，仅通过微小的形变和微动通过压磁效应获得磁场显著变化，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为装置剖面图。
图2为底座图。
图3为压磁磁轭、筒型永磁体、线圈、压杆轴和压杆装配图。
图4为压磁磁轭图。
图5为压杆图。
图6为装置外观图。
图7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7，一种增强型压磁鞋履能量收集装置，通过人步行过程中，脚着地、离地这样周期性的运动，通过利用压磁效应的电磁式装置，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6，为非磁性的塑料制成，不导磁，要求有较好韧性和耐磨性。底座内侧中部偏左有一安装轴1-1，安装轴周围有一片凹陷。底座左侧壁有两个压杆轴支承1-2。
进一步，穿过底座上的安装轴，在底座内侧底部凹陷中嵌入压磁磁轭2，见图1，图3和图4，压磁磁轭通过粘接方式固定于底座的下底。该压磁磁轭为软磁性的，具有良好的导磁性能，但是在应力作用下，其磁导率会发生明显变化，也就是具有压磁效应，并选用具有正压磁效应(压应力下磁导率下降)的材料。压磁磁轭还要求具有较好抗压强度、耐磨性和疲劳强度。压磁磁轭为上下对称的结构，上下两部分均有圆形阶梯孔，较小孔在外侧与底座上的安装轴配合，较大孔处内侧。
进一步，压磁磁轭两圆形阶梯孔的内侧较大孔之间安装了筒形永磁体3，见图1和图3，为永磁材料成的。筒形永磁体的内孔与底座上的安装轴配合。筒形永磁体要求较好的抗压强度、刚性和耐磨性。
进一步，压磁磁轭上下两部分之间的轴上缠绕了一个漆包铜线圈4，见图1和图3，线圈两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，通过压杆轴5固定于底座的压杆轴支承，并紧贴在压磁磁轭安装位置上表面的是压杆6，见图1，图3和图5。压杆为非磁性的塑料制成，要求具有较好耐磨性，并具有一定刚度但不宜过高，以保护压磁磁轭和筒形永磁体免遭不均匀分布的压力和冲击力的破坏。从压杆的安装位置看，压杆上部有较宽的加强筋，该结构一方面用于增加此零件的刚度，一方面此加强筋的顶部可直接接受来自足跟中线附近的较大变形，增强了压磁的效果。压杆尾部设有一保护筋，该保护筋向下延伸直到接近底座底部处，其目的是限制压杆只能微动，避免过大压力对压磁磁轭和筒形永磁体造成破坏。压杆上部整体可接受压力，下方支撑仅来自距离压杆轴较近的压磁磁轭有孔一侧和筒形永磁体，故利用了杠杆效应增强压磁磁轭表面的压力，从而增强了其内部的应力，增强了压磁效果。
进一步，装置有上盖7，见图1和图6，套于底座之上，其内侧上表面直接压于压杆的上表面。上盖为非磁性的塑料制成，不导磁，要求有较好耐磨性。上盖有一定柔性和延展性，并且其顶部沿短边方向略呈拱形，，这样足部的压力能通过上盖集中施加于压杆上表面。
进一步，将此装置置于鞋底的脚跟部位的矩形凹坑内，见图7，装置的尺寸按设计为15mm×11mm×4.8mm，凹坑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，当脚离地，地面和脚对鞋底形成无明显挤压。装置中压杆、压磁磁轭、和筒形永磁体也没有明显压力。装置也具备筒形永磁体N极，压磁磁轭，筒形永磁体S极的闭合磁路，该磁路中压磁磁轭导磁率较高，磁阻很小，磁路中磁感应强度高，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，上盖压迫压杆，并经过压杆增强作用到压磁磁轭和筒形永磁体。由于压磁磁轭为正压磁效应材料，此时其磁导率显著下降，上述闭合磁路中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，磁路磁感应强度显著下降，磁路磁通显著下降，通过线圈的磁链同样也显著下降。
对比，上述两种情况，行走过程中，随脚的落地和抬起的周期变化，装置中的线圈的磁链变化显著，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 (4)
1.一种增强型压磁鞋履能量收集装置，其特征在于：包括底座、压磁磁轭、筒形永磁体、线圈和压杆，所述底座为非磁性材料制成的底座，所述底座内侧中部偏左有一安装轴，所述安装轴周围有一片凹陷，所述底座左侧壁有两个压杆轴支承，在底座内侧底部凹陷中嵌入压磁磁轭，压磁磁轭固定于底座的下底，所述压磁磁轭为上下对称的结构，上下两部分均有圆形阶梯孔，较小孔在外侧与底座上的安装轴配合，压磁磁轭两圆形阶梯孔的内侧较大孔之间安装了筒形永磁体，所述筒形永磁体的内孔与底座上的安装轴配合；压磁磁轭上下两部分之间的轴上缠绕了一个漆包铜线圈，所述线圈两引出端连接能量收集电路；压杆通过压杆轴固定于底座的压杆轴支承，并紧贴在压磁磁轭安装位置上表面。
2.如权利要求1所述的增强型压磁鞋履能量收集装置，其特征在于：从压杆的安装位置看，压杆上部有加强筋，压杆尾部设有一保护筋。
3.如权利要求1或2所述的增强型压磁鞋履能量收集装置，其特征在于：所述能量收集装置还包括上盖，所述上盖为非磁性材料制成的上盖，所述上盖套于底座之上，所述上盖内侧上表面直接压于压杆的上表面，所述上盖的顶部沿短边方向呈拱形。
4.如权利要求3所述的增强型压磁鞋履能量收集装置，其特征在于：所述底座为矩形底座，所述上盖为矩形上盖。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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